НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

НІКОНОРОВ Олексій Сергійович

УДК 621.785.52

КЕРУВАННЯ СТРУКТУРОЮ, ВЛАСТИВОСТЯМИ ТА

СПАДКОВІСТЮ ЛИТИХ КОНСТРУКЦІЙНИХ СТАЛЕЙ

Спеціальність 05.16.01 – "Металознавство та термічна обробка металів"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" на кафедрі металознавства та термічної обробки.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кондратюк Станіслав Євгенович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України,

завідуючий відділом

Національний технічний університет України "КПІ"

професор кафедри металознавства та термічної обробки

Офіційні опоненти: член-кор. НАН України, доктор технічних наук, професор

Ошкадьоров Станіслав Петрович

Інститут металофізики НАН України ім. Г.В. Курдюмова,

завідуючий відділом

доктор технічних наук, професор

Білоцький Олексій Васильович

Національний технічний університет України "КПІ"

професор кафедри фізики металів

Провідна установа: Інститут електрозварювання НАН України ім. Є.О. Патона

Захист відбудеться “ 13 ” червня 2005 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.12 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", за адресою: 04056, м. Київ, пр. Перемоги 37, ІФФ, корп. №9, ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", за адресою: 04056, м. Київ, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий “ 4 ” травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К26.002.12

кандидат технічних наук, доцент Сиропоршнєв Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Умови ринкової економіки вимагають від машинобудівних підприємств України зменшення собівартості виробництва. Це досягається за рахунок більш широкого використання литих виробів замість аналогічних виробів з прокату, оскільки в цьому випадку підвищується коефіцієнт використання металу, забезпечуються мінімальні припуски і форма виливків максимально наближена до готової деталі, зменшується кількість операцій механічної обробки, суттєво скорочуються час виготовлення виробів та відходи металу в стружку. Існуючі недоліки виливків, що виготовляються традиційними методами (транскристалізація, грубозерниста структура, ліквація, пористість та крихкість литого металу) обмежують в ряді випадків використання литих виробів у машинобудуванні.

Проте відомі результати досліджень, що свідчать про можливість активного та цілеспрямованого керування процесами кристалізації, структуроутворення і підвищення властивостей литих сталей за рахунок використання зовнішніх диференційованих схем впливу на рідкий метал під час кристалізації та охолодження виливків. Вирішення проблеми ускладнюється відсутністю системних досліджень в цьому напрямку і складністю процесів, викликаних одночасною дією значного числа факторів на тверднення і формування структурно-фазового складу виливків. З урахуванням цього проведення досліджень, що стосуються впливу фізико-технологічних факторів на кристалізацію, структуроутворення і властивості сталевих виливків є актуальним і необхідним для створення наукової бази нових ливарних технологій. Актуальність проведення таких досліджень ґрунтується також на необхідності підвищення якості та властивостей сталевих виливків, зниження металоємності, скорочення енерго- і трудовитрат, а також на необхідності створення нових литих матеріалів, які за своїми властивостями перевищували б комплекс властивостей виробів з прокату.

Оскільки значну частину литих виробів піддають тепловій обробці, то вивчення процесів трансформації литих структур сталей при наступних операціях термічної та хіміко-термічної обробок є важливим, як у науковому так і в прикладному аспектах. Вивчення останньої групи проблем пов’язано з явищем спадковості металевих матеріалів, тобто із збереженням в них певних особливостей будови, структури і властивостей вихідного металу після дії різних технологічних впливів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках відомчої бюджетної теми „Дослідження закономірностей впливу спадковості і трансформації нерівноважних литих структур на підвищення властивостей і якості виливків з конструкційних легованих сталей”, № 1.6.5.496.

Мета і задачі дослідження. Розробка технологічних засад одержання литих виробів з прогнозованим підвищенням властивостей на основі дослідження закономірностей структуроутворення, спадковості литої структури і властивостей конструкційних сталей залежно від умов кристалізації і наступних операцій термічної і хіміко-термічної обробок.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити такі задачі:

- дослідити вплив температурно-часових умов кристалізації і охолодження виливків на формування первинної литої структури, ліквацію елементів, характеристики дендритної будови, тонку кристалічну структуру, механічні властивості литих сталей;

- дослідити вплив умов кристалізації і охолодження виливків в інтервалі ? > б перетворення на формування вторинної структури литих сталей;

- визначити критерії оцінки спадковості литих сталей і трансформації вихідних структур при наступних технологічних операціях їх обробки;

- провести порівняльне дослідження щодо проявів спадковості і закономірностей впливу термічної обробки на структуру і властивості сталей з різною вихідною литою структурою, зумовленою умовами кристалізації;

- дослідити вплив вихідної литої структури на характеристики структури і властивості дифузійного шару і серцевини литих сталей після наступних операцій хіміко-термічної обробки;

- узагальнити результати досліджень з побудовою відповідних рівнянь регресії, що описують закономірності зміни механічних властивостей досліджуваних сталей залежно від умов кристалізації і наступної термічної обробки;

- розробити рекомендації щодо практичного використання результатів досліджень, провести дослідно-промислову перевірку.

Об’єкт дослідження: конструкційні вуглецеві і леговані сталі у вихідному литому стані та після термічної і хіміко-термічної обробки одержані за різних температурно-часових умов кристалізації та охолодження виливків.

Предмет дослідження: закономірності впливу температурно-часових умов на кристалізацію, структуроутворення, фізико-механічні властивості і спадковість литих конструкційних сталей після операцій термічної і хіміко-термічної обробок.

Методика і методологія проведених досліджень. Дослідження проведено на конструкційних вуглецевих і комплексно легованих сталях: 25Л, 45Л, 25ХГСТЛ, 18ХГНЛ та ін. Методикою виконання роботи передбачено створення різних литих структур шляхом цілеспрямованого використання температурно-часових технологічних факторів і дослідження впливу структурної та фазової спадковості литих сталей на формування кінцевої структури, фазового складу і властивостей після різних операцій термічної і хіміко-термічної обробок. Проведено порівняльне дослідження впливу умов кристалізації на первинну і кінцеву структуру, ліквацію хімічних елементів, розмір зерна, тонку кристалічну будову і механічні властивості сталей у литому та термічно обробленому стані, а також аналогічних сталей після деформації та термічної обробки. Дослідження проведено з використанням методів металографічного, рентгеноструктурного, диференційно-термічного аналізу, високотемпературної металографії і стандартних методів визначення механічних характеристик з наступною математичною обробкою результатів і одержанням регресійних моделей.

Наукова новизна одержаних результатів:

· вперше системно досліджено вплив температурно-часових параметрів кристалізації на характеристики первинної і вторинної литої структури, фізико-механічні властивості конструкційних сталей та можливості їх спадкування при наступних технологічних операціях термічної та хіміко-термічної обробки.

· встановлено закономірності підвищення дисперсності і щільності литої структури, легованості твердого розчину, рівномірності розподілу хімічних елементів, подрібнення зерна і суттєвого підвищення характеристик міцності і в’язкості сталей в інтервалі зростання інтенсивності охолодження при кристалізації від 2 до 800°С/с.

· встановлено, що відповідні зміни залежно від умов кристалізації відбувається також на рівні тонкої кристалічної будови; підвищення швидкості охолодження призводить до зростання густоти дислокації, викривлень кристалічної ґратки, подрібнення блоків мозаїки. Це зумовлює більш тривале закріплення закладених при кристалізації спадкових ознак.

· вперше показано, що литі сталі з різною вихідною литою структурою наслідують певні структурно-фазові ознаки на рівні макро- і мікроструктури, тонкої кристалічної будови після зміцнюючої термічної обробки і забезпечують збереження закладених при кристалізації високих показників міцності і в’язкості швидкоохолоджених сталей. Ефект спадкування зберігається також і в разі тривалого аустенітизуючого нагріву, та наступного гартування і відпуску.

· встановлено, що сталі які кристалізувались за умов повільного охолодження (Vox=2°С/с) мають більший темп росту аустенітного зерна порівняно зі швидкоохолодженими (Vох=800°С/с). Це відкриває додаткові технологічні можливості одержання спадково дрібнозернистих сталей.

· вперше встановлено закономірний спадковий зв'язок вихідної литої структури зі структурою і властивостями дифузійного шару і серцевини сталей при цементації і азотуванні. Дрібнозерниста лита структура швидкоохолоджених при кристалізації сталей з високим рівнем дефектів кристалічної будови і розвиненою системою міжзерених границь зумовлює більш активне протікання процесів дифузійного насичення сталі, зростання глибини і твердості дифузійного шару.

· встановлені кількісні залежності рівня механічних властивостей виливків, температурно-часових умов кристалізації, структуроутворення і наступної їх термічної обробки дозволяють реалізувати можливості прогнозування і забезпечення заданого комплексу властивостей литих сталей на рівні деформівних.

Практичне значення отриманих результатів. Одержані експериментальні дані і наукові результати роботи відкривають можливості цілеспрямованого керування процесами кристалізації і структуроутворення сталей, ефективного впливу на кінцеву структуру і властивості литих виробів, в тому числі і після зміцнюючої термічної та хіміко-термічної обробки; реалізувати додаткові резерви підвищення їх властивостей до рівня виробів з деформівних сталей шляхом розробки нових ливарних технологій. Дані положення пройшли дослідно-промислову перевірку на підприємствах НВАТ „NICMAS” та ВАТ СНВО ім. М.В. Фрунзе, м. Суми.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення дисертаційної роботи, які виносяться на захист, сформульовані автором особисто. Автору належить: обґрунтування мети, проведення наукових досліджень, обробка результатів та їх аналіз, підготовка статей до друку, участь у проведенні дослідно-промислової перевірки. Постановка задач та обговорення результатів досліджень виконані спільно з науковим керівником і, частково, зі співавторами статей. Внесок дисертанта в одержані експериментальних даних, опублікованих у співавторстві, становить 60 – 75%. Автор є одним із розробників маловідходної технології лиття деталей компресорів та центрифуг.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на семінарах і науково-технічних конференціях:

Перша науково-практична конференція молодих учених України “Металознавство та обробка металів”, Київ, ФТІМС НАН України, 2003 р.

V Уральская школа-семинар молодых ученых. Екатеринбург, УПИ, Россия, 2003 г.

Науково-технічна конференція викладачів, співробітників та аспірантів СумДУ, Суми, Україна, 2004 р.

VІ Уральская школа-семинар молодых ученых. Екатеринбург, УПИ, Россия, 2004 г.

Науково-практична internet-конференція учених “Литі композиційні матеріали”, Київ, ФТІМС НАН України, 2004 р.

Окремі розділи дисертаційної роботи удостоєні першої премії Всеукраїнського конкурсу молодих вчених ім. М.П.Брауна в галузі металознавства та термічної обробки металів.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 друкованих робіт, з яких 6 статей у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України і тези 3-х доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел літератури з 149 найменувань і двох додатків. Роботу викладено на 166 сторінках друкованого тексту, включаючи 21 таблицю і 50 малюнків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, наведені основні наукові результати роботи та їх практичне значення, зв’язок роботи з науковими темами і особистий внесок здобувача.

У першому розділі на основі аналізу даних літератури розглянуто особливості і можливості ливарних технологій щодо одержання сталевих виливків за формою і розмірами максимально наближених до готових виробів і з властивостями на рівні властивостей аналогічних деталей виготовлених з деформівних легованих сталей.

Показано, що температурно-часові параметри кристалізації мають вирішальне значення для забезпечення оптимального фазово-структурного стану і властивостей литих сталей, визначають їх якість і можливість збереження, закладених при кристалізації, спадкових ознак під час наступних операцій теплової обробки. Це зумовлює доцільність системних досліджень процесів кристалізації і структуроутворення литих сталей при регламентованих і високих швидкостях охолодження розплаву під час тверднення і наступного охолодження виливків, а також закономірностей трансформації литих структур з реалізацією проявів структурної і концентраційної спадковості при термічній і хіміко-термічній обробках.

Оскільки спадковість в металевих матеріалах на рівні макро-, мікро- і субструктури має суттєвий вплив на характеристики кінцевої (вторинної) структури, поглиблення і узагальнення знань щодо її проявів має наукове і практичне значення, відкриває можливості керування структурою литих сталей з метою розробки нових ливарних технологій і одержання виливків з наперед заданим комплексом властивостей.

Другий розділ присвячено обґрунтуванню вибору матеріалів і методів дослідження, основних методик проведення експериментів. Комплекс досліджень проведено на конструкційних вуглецевих сталях 25Л, 45Л і легованих сталях 25ХГСТЛ, 25ХГСТФЛ, 18ХГНЛ, 30ХГСНЛ і 45ХГСТФЛ з різною вихідною литою структурою, яка формувалась за умов регламентованого тепловідбору під час кристалізації при різних швидкостях охолодження розплаву в інтервалі 2...800°С/с.

Методикою передбачено проведення порівняльних досліджень впливу температурно-часових умов кристалізації і охолодження виливків на характеристики первинної і вторинної литої структури, розподіл легуючих елементів, розмір і кінетику росту зерна, тонку кристалічну будову, характеристики руйнування і механічні властивості сталей у вихідному стані і після різних режимів термічної обробки (гартування, відпуск, відпалювання), а також термічно зміцненого прокату аналогічних сталей. Зв’язок характеристик первинної литої структури з фазовим складом, структурою і властивостями дифузійних шарів і серцевини литих сталей досліджували на зразках сталей після хіміко-термічної обробки – цементації та азотування.

Дослідження проведені із застосуванням методів кількісного металографічного аналізу, електронної мікроскопії і кількісної фрактографії, рентгеноструктурного, диференційного термічного аналізу, високотемпературної металографії і стандартних методів визначення характеристик механічних властивостей з наступною математичною обробкою результатів з використанням ЕОМ та комп’ютерних програм Image Pro Plus 4.5, MathCAD, MS Excel XP.

Третій розділ присвячений дослідженню впливу температурно-часових параметрів кристалізації на структуроутворення і фізико-механічні властивості литих конструкційних сталей. Встановлено, що за умов регламентованої зміни інтенсивності тепловідбору, в інтервалі швидкостей охолодженнярозплаву (Vox) 2...800°C/c, відбувається закономірне подрібнення первинної литої структури досліджуваних сталей (рис. 1).

Кількісна оцінка характеристик дендритної структури показала що, при підвищенні Vox дисперсність дендритної структури (ДДС) зростає у 8-10 разів, щільність дендритної структури (ЩДС) у 2-3 рази. Це зумовлено більшим ступенем переохолодження розплаву відповідним зростанням числа зародків кристалізації і зниженням швидкості їх росту, що забезпечує формування дрібнокристалічної, більш щільної і однорідної первинної литої структури (табл. 1). Підвищення інтенсивності охолодження від 2 до 800°C/c супроводжується суттєвим подрібненням зерна – від 2 до 12 балу. Спостерігається також зменшення кількості і розмірів неметалевих вкраплень, підвищення рівномірності їх розподілу у структурі швидкоохолоджених сталей.

Таблиця 1

Характеристики дендритної структури сталей залежно

від швидкості охолодження при кристалізації

Сталь | Vох = 2°С/с | Vох = 45°С/с | Vох = 350°С/с | Vох = 800°С/с

ДДС | ЩДС | ДДС | ЩДС | ДДС | ЩДС | ДДС | ЩДС

25Л | 1,2 | 0,88 | 6,5 | 1,12 | 10,4 | 1,65 | 15,6 | 2,57

45Л | 6,8 | 0,84 | 12,3 | 0,94 | 24,8 | 1,22 | 39,8 | 2,34

25ХГСТЛ | 9,9 | 1,28 | 46,7 | 1,34 | 69,7 | 1,93 | 79,3 | 4,12

25ХГСТФЛ | 13,3 | 2,24 | 62,3 | 2,52 | 90,1 | 2,78 | 124,4 | 4,48

45ХГСТФЛ | 45,8 | 0,92 | 61,4 | 1,01 | 87,2 | 1,64 | 136,2 | 3,32

Показано, що відповідно до змін температурно-часових параметрів кристалізації відбувається не тільки зміна дисперсності литої структури але й зміна співвідношення основних структурних зон виливків – поверхневої коркової, стовбчастих дендритів, зони розорієнтованого дендритів. Підвищення Vox від 5°С/с до 350°С/с супроводжується зростанням протяжності цих зон і відповідним скороченням центральної зони рівноосних кристалів (рис. 2).

Встановлено, що протяжність певних структурних зон виливків залежить не лише від умов тепловідбору але й від хімічного складу сталей, перш за все від вмісту вуглецю, який обумовлює ширину інтервалу кристалізації. Так, ширина коркової зони сталі з вузьким інтервалом (сталь 25ХГСТФЛ) при зміні Vox від 5°С/с до 350°С/с зростає в середньому в 4,5 рази, стовбчастих дендритів – у 4,8-5,2 рази, зона розорієнтованого росту – у 1,5-2 рази. Для сталі з широким інтервалом (сталь 45ХГСТФЛ) з підвищенням швидкості охолодження протяжність вказаних зон зростає відповідно у 2-2,5 рази, 3,2-3,8 і 1,3-1,8 разів.

Підвищення Vox зумовлює формування більш однорідної за хімічним складом структури, що підтверджується зниженням різниці показників мікротвердості осей і міжосних ділянок дендритів швидкоохолоджених сталей. Оцінка ліквації елементів (Mn, Si, Cr, Ti, V) у структурі литих сталей з використанням скануючого електронного мікроскопу JEOL-840 та програми Image Pro Plus 4.5 дозволила одержати відповідні карти розподілу елементів та кількісно оцінити ступінь пригнічення лікваційних процесів у швидкоохолоджених сталях, показати підвищення рівномірності розподілу елементів у структурі і ступеня легованості твердого розчину (рис. 3). Це відповідає підвищенню площі з усередненим вмістом кожного з елементів на 10-18% порівняно із сталями закристалізованими за звичайних умов (Vox=2°С/с).

Оскільки властивості виливків залежать не лише від умов кристалізації, але й від фазово-структурного складу сталі, що формується при охолодженні виливків в інтервалі ?>б ?еретворення, досліджено вплив умов охолодження в цьому інтервалі на вторинну структуру. Різні швидкості охолодження в інтервалі температур твердофазних перетворень (від Ас3+100°C до 100°C) забезпечувались в наших експериментах різною тепловідбірною здатністю форм, що відповідало швидкостям охолодження: 0,24; 5,5; 16,8 та 49,2°C/хв. Встановлено, що залежно від умов охолодження в інтервалі ?>б ?еретворення формуються різні за своєю природою і завершеністю перетворення. Охолодження з мінімальною швидкістю (0,24°С/хв) забезпечує формування ферито-перлітної структури у вуглецевих сталях, і троостомартенситної в легованих. При підвищені швидкості охолодження до 16,8°С/хв спостерігаються голкоподібні утворення структурновільного фериту у вуглецевих сталях та збільшення частки мартенситу в легованих. Максимальна швидкість охолодження (49,2°С/хв) призводить до утворення структур трооститу у вуглецевих сталях та переважно мартенситу в легованих.

Встановлено також, що підвищення інтенсивності тепловідбору в досліджуваних температурних інтервалах кристалізації та ?>б ?еретворення призводить до суттєвих змін тонкої кристалічної будови литих сталей супроводжується зростанням густоти дислокацій в 2,5-3,5 рази, напружень другого роду на 30-50%, та подрібненням блоків мозаїки в 3-5 разів.

Розглянуті вище особливості фазово-структурного стану литих сталей, пов’язані з температурно-часовими умовами кристалізації і твердофазних перетворень при охолодженні виливків зумовлюють закономірні зміни характеристик механічних властивостей (рис. 4).

Підвищення інтенсивності тепловідбору при кристалізації і охолодженні виливків супроводжується (залежно від хімічного складу сталі) підвищенням порога міцності від 150 до 450 МПа, порогу текучості від 135 до 400 МПа, твердості на HV 70 – 110, ударної в’язкості у 1,5 – 3 рази. Зростання характеристик міцності швидкоохолоджених сталей зумовлено підвищеною легованістю твердого розчину, формуванням нерівноважних структур гартування, зростанням мікровикривлень кристалічної ґратки і густоти дислокацій. Підвищення характеристик пластичності і ударної в’язкості пов’язано з формуванням дисперсної і однорідної структури. Показано, що швидкоохолоджені сталі мають більш високі механічні властивості порівняно із сталями відлитими за звичайних умов у піщано-глинисті форми (Vox=2°С/с) і підданих зміцнюючій обробці (табл. 2).

Таблиця 2

Приріст механічних властивостей (%) литих сталей,

охолоджених при кристалізації із швидкістю 350°С/с порівняно з

литими в земельну форму і підданими гартуванню

Сталь | Дув | Дут | Дд | Дш | Д KCU

25Л | 16 | 16 | 33 | 34 | 73

25ХГСТЛ | 10 | 8 | 10 | 12 | 21

25ХГСТФЛ | 9 | 6 | 10 | 12 | 17

45Л | 3 | 4,5 | 12 | 8 | 5

Різні умови кристалізації і структуроутворення литих сталей закладають певні відмінності вихідних литих структур, основи спадковості і закономірності трансформації структури, фазового складу і властивостей при наступних операціях їх термічної обробки.

В четвертому розділі досліджено закономірності впливу умов кристалізації і структуроутворення на спадковість структури і властивостей литих сталей при наступних операціях термічної обробки. Основними критеріями оцінки проявів спадковості обрано дисперсність кінцевої структури, розмір зерна, характеристики тонкої кристалічної будови, ліквацію елементів, фактографічні характеристики руйнування і механічні властивості сталей.

Дослідження спадковості зеренної структури проведено методом порівняльного аналізу на сталі 25ХГСТФЛ, яка кристалізувалась при різних швидкостях охолодження (Vох) 2°С/с, 350°С/с, 800°С/с. Розміри зерна визначали на зразках сталі у вихідному литому стані і після гартування від 900°С з різною тривалістю аустенітизації – 0,5 і 4 год., відпуску при 200°С протягом 2 год.

Встановлено, що дрібнозернисті структури швидкоохолодженої сталі успадковують невеликий розмір зерна при всіх досліджуваних режимах термічної обробки (рис. 5).

Показано, що розміри дійсного зерна залежать не лише від його розміру у вихідному стані, але й від темпу його росту в умовах високотемпературної аустенітизації (рис. 6). Сталь, що кристалізувалась за умов повільного охолодження (Vох = 2°С/с) характеризується високою швидкістю росту зерна – 21,1 мкм/год, а швидкоохолоджена (Vох = 800°С/с) значно меншою – 6,4 мкм/год. Це відкриває додаткові можливості одержання спадково дрібнозернистих сталей.

Спадковість розподілу легуючих елементів (ліквацію) у структурі сталей 45Л і 25ХГСТФЛ досліджували на зразках виливків, що кристалізувались при швидкості охолодження 2°С/с і 350°С/с у вихідному стані і після відпалювання при 900°С протягом 4 год. Кількісна оцінка проявів ліквації в структурі відпалених сталей за допомогою спектрометра Link 860/500 показала, що співвідношення вмісту елементів на границі зерна і в об’ємі зерна (Sj) у сталі 45Л при Vох = 2°С/с дорівнює 0,81 для Mn і 1,02 для Si, а швидкоохолодженої при Vох = 350°С/с – відповідно 1,01 для Mn і 1,09 для Si (рис. 7).

Коефіцієнти ліквації сталі 25ХГСТФЛ (Vох = 2°С/с) складали 0,60 для Mn, 1,58 для Si, 3,57 для Ti, 0,87 для V, 0,83 для Cr, а швидкоохолодженої при кристалізації (Vох = 350°С/с) 0,94 для Mn,0,92 для Si, 1,01 для Ti, 0,93 для V, 0,91 для Cr. Найбільш рівномірний розподіл елементів (Sj наближується до 1), дисперсність і однорідність структури забезпечуються у швидкоохолоджених сталях, як в литому стані так і після відпалювання. Це підтверджується також більш розвиненою площею усередненого вмісту кожного з елементів на картах розподілу швидкоохолоджених сталей і значно меншою величиною розсіяння елементів визначених за допомогою електронного мікроскопу JEOL-840 та програми Image Pro Plus 4.5.

Визначали частку площі, у відсотках, що відповідає певному вмісту (максимальному, середньому та мінімальному) легуючого елемента. Так, для сталі 45Л в литому стані, що кристалізувалась при Vох = 2°С/с площа структури з середнім вмістом елементів складає 31,4–33,9%, з мінімальним відповідно 31,7–34,1%, з максимальним 32–36,9%. Для зразків швидкоохолодженої сталі відсоток площі з середнім вмістом елементів підвищується до 33,2–34,1%. Відпалювання зразків сталі 45Л, (Vох = 2°С/с) призводить до підвищення площі ділянок структури з середнім вмістом елементів на 9–10% порівняно з вихідним станом. Відпалювання сталі, що кристалізувалась при Vох = 350°С/с призводить до ще більшого підвищення площі з усередненим вмістом елементів на 20 – 30% порівняно з литим станом. Більш рівномірний розподіл легуючих елементів спостерігається і у швидкоохолодженої сталі 25ХГСТФЛ (рис.8).

Відсоток площі з середнім вмістом елементів становить відповідно 48–62% (для литого стану) і 72–84% після гомогенізуючого відпалювання. Це в середньому перевищує аналогічний показник сталі, що кристалізувалась при повільному охолодженні на 45–50%. Показано, що різні умови кристалізації закладають відмінності не тільки в будові і дисперсності структури, але й у розподілі елементів на рівні макро- і микроструктури сталей.

Металографічно показано, що після зміцнюючої термічної обробки (гартування, відпуск) всі досліджувані сталі зберігають, закладені при кристалізації, спадкові ознаки вихідної литої структури – орієнтованість і дисперсність структурних складових. Швидкоохолоджені сталі і після термічної обробки характеризуються дисперсною і гомогенної структурою з більшим ступенем реалізації мартенситного перетворення і мінімальною кількістю залишкового аустеніту. Порівняння структур литих і деформівних сталей після однакової термічної обробки показало, що структура швидкоохолоджених сталей практично не відрізняється від структури деформівних.

Відмінності вихідної структури литих сталей, зумовлені умовами кристалізації, визначають різний рівень їх механічних властивостей і після термічної обробки. Відповідно збільшенню Vox суттєво зростають не тільки характеристики міцності, але і пластичності і ударної в’язкості (рис. 9).

Співставлення цих характеристик з результатами рентгеноструктурного дослідження тонкої кристалічної структури показало, що зростання Vox призводить до зростання мікровикривлень і дефектів кристалічної ґратки, подрібнення блоків мозаїки, що зумовлює підвищення міцності сталей. Особливості тонкої кристалічної будови, як металогенетичної ознаки, є найбільш стійкими і успадковуються металом після наступних операції термічної обробки.

Підвищення пластичності і ударної в’язкості швидкоохолоджених сталей пов’язано із спадковою дисперсністю зерна і структурних складових термічно зміцненого металу. Встановлено, що рівень механічних властивостей литих сталей, що кристалізувались при Vox= 2–45°С/с і підданих гартуванню не відповідає рівню деформівних, а у швидкоохолоджених (Vox= 800°С/с) – перевищує характеристики міцності термічно зміцненого прокату на 5–12% і ударної в’язкості у 1,5–2 рази в залежності від хімічного складу сталей (рис. 9). Показано, що швидкоохолоджені термічно зміцнені литі сталі (45Л, 25ХГСТФЛ) у порівнянні з аналогічними деформівними в інтервалі температур в’язко-крихкого переходу +40°С...–60°С мають не тільки вищій рівень ударної в’язкості, але й нижчі (на 15–20°С) температури крихкості (), визначені за даними кількісного електронно-фрактогафічного аналізу. Це значно розширює можливості використання литих виробів замість, таких що виготовляються з дефіцитного легованого прокату. Змінюючи умови кристалізації можна цілеспрямовано впливати на характеристики первинної литої структури сталей, а також на структуру і властивості виливків після зміцнюючої термічної обробки.

П’ятий розділ присвячений дослідженню зв’язку будови первинної литої структури з характером формування, структурою і властивостями дифузійного шару і серцевини сталей при хіміко-термічній обробці – цементації та азотуванні.

Дослідження проведені на сталях 18ХГНЛ, 25ХГСТЛ і 30ХГСНЛ, які кристалізувались за різних умов тепловідбору (Vox = 2, 45 і 350°C/c), що зумовило одержання різних вихідних структур. Для порівняння досліджували також деформівну сталь 25ХГСТ.

Прямими експериментами показано, що висока дисперсність і розгалуженість дендритів, відмінність вмісту вуглецю в осних і міжосних ділянках, дрібне аустенітне зерно швидкоохолоджених сталей зумовлюють більшу ефективність дифузійних процесів під час хіміко-термічної обробки. Відповідно зростанню швидкості охолодження при кристалізації зростає глибина дифузійного шару протяжність евтектоїдної та перехідної зон, насиченість вуглецем і твердість при цементації (рис. 10, 11). Найбільшою глибиною дифузійного насичення вуглецем характеризується сталь 30ХГСНЛ, далі сталь 18ХГНЛ і сталь 25ХГСТЛ.

Структура і властивості серцевини швидкоохолоджених сталей після гартування і низького відпуску практично не відрізняються від характеристик термічно зміцненого прокату.

При азотуванні литих сталей також спостерігається закономірне зростання глибини дифузійного насичення і збільшення мікротвердості шару при підвищенні швидкості охолодження від 2°С/с до 350°С/с (рис. 12, 13). Відзначимо певні особливості будови азотованого шару пов’язані з вихідною структурою поверхневих зон виливків. За звичайних умов охолодження утворюється досить широка зона ?-фази, яка у швидкоохолоджених зменшується у 5–10 разів, протяжність же ??-фази максимальна. Структура серцевини азотованих сталей, представлена сорбітом відпуску, зберігає ознаки вихідної литої структури – орієнтованість і дисперсність.

Встановлено, що змінюючи параметри кристалізації при одержанні виливків, формуючи різні вихідні литі структури, можна цілеспрямовано впливати на кінетику хіміко-термічної обробки, структуру і властивості дифузійного шару і серцевини литих сталевих виробів. Підвищена дисперсність і розгалуженість дендритної структури вихідних швидкоохолоджених сталей і різний вміст вуглецю в осних і міжосних ділянках визначають ефективність дифузійних процесів при ХТО. Дисперсність зерна сталей при твердненні з максимальною швидкістю охолодження (Vох=350°С/с), визначає відповідне збільшення глибини, однорідності та твердості поверхневого шару після дифузійного насичення. Спостерігається також збереження дисперсності структури серцевини після тривалої витримки сталей при високих температурах відповідно дисперсності вихідної литої структури.

В шостому розділі наведені інтерполяційні моделі побудовані за результатами експериментів, які дозволяють оцінити рівень механічних властивостей литої сталі в вихідному стані та після термічної обробки в зв’язку зі зміною умов охолодження при кристалізації розплаву, а також прогнозувати властивості сталі в конкретних виливках. Міра кореляції рівнянь з експериментальними даними визначалась значенням величини достовірності апроксимації. Також в цьому розділі приведено результати дослідно-промислової перевірки результатів досліджень в умовах НВАТ „NICMAS” та ВАТ СНПО ім. Фрунзе. В якості об’єкту дослідно-промислової перевірки встановлених закономірностей впливу інтенсивності тепловідбору на структуру та властивості литого металу було обрано деталі – водило другого ступеня редуктору центрифуги ОГШ-35 та полумуфта компресору ВНЦ 53-60. Розроблена маловідходна технологія виробництва литих заготовок передбачала швидкісний диференційований тепловідбір при кристалізації виливка. Випробування деталей, виготовлених з литих заготовок згідно технічних вимог виробництва показали, що: якість отриманих виливків (чистота поверхні, оброблюваність, структура та механічні властивості) відповідає технічним вимогам, що пред’являють до заготовок виготовлених методом вільного кування; маса литих заготовок менше кованих на 25–32%. Коефіцієнт використання матеріалу зріс на 30–45%; трудомісткість виготовлення деталі знижено в 2,0–2,5 рази, енергоємність на 25–35% за рахунок зменшення обсягів механічної та термічної обробки; досягається економія конструкційних сталей за рахунок багаторазового використання металу в замкнутому технологічному циклі.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі системних досліджень процесів кристалізації і структуроутворення вуглецевих і легованих конструкційних сталей в умовах регламентованого тепловідбору вперше встановлено кількісні закономірні зміни характеристик структури і механічних властивостей залежно від температурно-часових параметрів тверднення і охолодження виливків.

2. Показано, що підвищення інтенсивності тепловідбору в інтервалі 10...103°С/с і створення значного градієнта температур у двофазній зоні дозволяє ефективно впливати на фазово-структурний стан і властивості литих сталей, реалізуючи можливості формування дисперсної і щільної дендритної структури, дрібного грануляційного і аустенітного зерна, пригнічення проявів ліквації і шкідливого впливу неметалевих вкраплень, підвищення легованості твердого розчину і ступеня завершеності мартенситного перетворення при охолодженні виливків.

3. Встановлено можливість і розроблено науково-технологічні засади керування кристалізацією і структуроутворенням з метою забезпечення заданої структури, властивостей і комплексу певних спадкових металогенетичних ознак литих сталей. Показано, що відповідні зміни, залежно від умов кристалізації, відбуваються також на рівні тонкої кристалічної будови – підвищення швидкості охолодження розплаву призводить до зростання густоти дислокацій, викривлень кристалічної ґратки, подрібнення блоків мозаїки.

4. Вперше прямими експериментами досліджено прояви спадковості при термічній обробці литих сталей з різною вихідною структурою. Доведено, що швидкоохолоджені сталі закономірно успадковують закладені при кристалізації характеристики макро-, мікро- і субмікроструктури і високий рівень механічних властивостей, що перевищує характеристики термічно зміцненого прокату аналогічних сталей.

5. Порівняльними експериментами з використанням методів кількісної оцінки проявів ліквації в сталях 45Л і 25ХГСТФЛ з різною вихідною структурою встановлено спадкування розподілу елементів (Mn, Si, Cr, V, Ti) після тривалої аустенітизації. Найбільш рівномірний розподіл елементів (коефіцієнт ліквації близький до 1) забезпечується у швидкоохолоджених сталях.

6. Методами металографічного аналізу і рентгеноструктурними дослідженнями тонкої кристалічної будови литих сталей встановлено, що із зменшенням розмірів елемента спадкування, реалізація проявів спадковості при наступних операціях термічної обробки зростає.

7. Встановлено, що залежно від умов кристалізації досліджувані сталі характеризуються не тільки різною дисперсністю, але й різною здатністю до росту аустенітного зерна. Використання інтенсивного тепловідбору при кристалізації відкриває можливості одержання спадково дрібнозернистих сталей з високими показниками опору крихкому руйнуванню за нормальних і низьких температур.

8. Вперше встановлено спадковий зв’язок розмірних характеристик первин-ної литої структури з кінетикою дифузійного насичення, структурою дифузійного шару і серцевини сталей при цементації і азотуванні. Показано, що дрібнозерниста структура швидкоохолоджених сталей з розвиненою системою міжзеренних границь і дефектів кристалічної будови зумовлює більш активне протікання дифузійного насичення, більшу глибину і твердість поверхневого зміцнення.

9. Одержані кількісні залежності механічних властивостей від температурно-часових умов кристалізації досліджуваних сталей у литому і термічно обробленому станах і одержані рівняння регресії дозволяють реалізувати можливості прогнозування і досягнення заданого комплексу властивостей литих сталей на рівні деформівних шляхом створення нових ливарних технологій.

10. За результатами досліджень і промислових випробувань розроблено нові маловідходні технології лиття з інтенсивним тепловідбором виробництва заготовок деталей редуктора центрифуги ОГШ-35 (водило) та компресору ВНЦ 53-60 (полумуфта) із сталей 45Л і 25ХГСТФЛ замість виготовлення їх з прокату із застосуванням трудомістких і енерговитратних операцій кування і різання. Промислове випробування проведено на НВАТ „NICMAS” та ВАТ СНПО ім. Фрунзе.

Основний зміст дисертації відображений у наступних публікаціях:

1. Кондратюк С.Є., Стоянова О.М., Ніконоров О.С. Спадковість і структура литих цементованих сталей. // Металознавство та обробка металів, 2001. – № 4, – с. 58 – 64.

Здобувачем проведено дослідження впливу характеристик первинної литої структури конструкційних сталей на глибину дифузійного шару, утворення евтектоїдної і перехідної зони при цементації, зміну характеристик цементованого шару і серцевини сталей під час ХТО.

2. Кондратюк С.Є., Стоянова О.М., Ніконоров О.С. Первинна структура і спадковість властивостей литих конструкційних сталей // Вісник Дніпро-петровського університету. Серія фізика, радіоелектроніка, 2002. – № 8, – С. 79 – 82.

Здобувачем встановлено вплив температурно-часових параметрів кристалізації і первинної литої структури на її спадкування і механічні властивості литих сталей при наступних операціях зміцнюючої обробки.

3. Ніконоров О.С. Вплив литої структури на формування азотованого шару конструкційних сталей.// Металознавство та обробка металів, 2003.– № 1, – с. 32 – 35.

Досліджено вплив параметрів литої структури на глибину і мікротвердість дифузійного шару сталей 18ХГНЛ та 25ХГСTЛ при азотуванні.

4. Кондратюк С.Є., Ніконоров О.С., Кузін О.А. Спадковість зеренної структури литої сталі // Металознавство та обробка металів. – 2004. – № 1. – С. 3 – 7.

Здобувачем досліджено вплив умов кристалізації і структуроутворення на аустенітне зерно при наступних операціях зміцнюючої термічної обробки. Встановлено закономірність зміни розміру зерна сталі залежно від характеристик вихідної литої структури, зумовленої температурно-часовими умовами кристалізації і охолодження виливків.

5. Кондратюк С.Є., Ніконоров О.С., Кальчук М.О. Спадковість тонкої кристалічної структури литих сталей // Металознавство та обробка металів. – 2004. – № 3. – С.63 – 69.

Здобувачем проведено металографічний аналіз сталей. На основі результатів металографічного і рентгеноструктурного аналізів встановлено явище спадковості структури сталей у зв’язку з умовами кристалізації при наступних операціях термічної обробки.

6. Кондратюк С.Е., Стоянова Е.Н., Никоноров А.С., Стась И.М. Гетерогенность структуры в отливках конструкционных сталей. // Процессы литья, 2004. – № 4 – с. 85 – 88.

Здобувачем проведено металографічний аналіз, визначено механічні властивості та узагальнено результати експериментів. Показано на прикладі сталі 45Л, що виливок можна розглядати як композит, який складається з окремих псевдогомогенных структурних зон, з характерними значеннями параметрів литої структури і різними механічними властивостями в межах однієї зони.

7. Кондратюк С.Є., Ніконоров О.С. Спадковість в металевих литих матеріалах. // Вісник Сумського державного університету. Серія технічні науки, 2004. – № 13 (72) – с. 107 – 113.

Здобувачем розглянуто прояви явища спадковості металів в литих металевих матеріалах у зв’язку з умовами їх кристалізації.

8. Никоноров А.С. Структура и наследственность литых сталей подвергнутых ХТО // V Уральская школа-семинар молодых ученых. Сборник тезисов, Екатеринбург, УПИ, Россия.

На основі системних досліджень встановлено закономірний вплив характеристик литої структури конструкційних сталей на глибину дифузійного шару, зміну його характеристик та серцевини сталей під час хіміко-термичної обробки.

9. Ніконоров О.С. Історичний розвиток явища спадковості в металах // Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов СумГУ, Сумы, изд-во СумГУ, №4, 2004.

На основі аналізу літературних даних та власних експериментів розглянуто прояви спадковості у зв’язку з умовами кристалізації металевих матеріалів. Показано, що явище спадковості в металевих матеріалах проявляється не в якихось одиничних випадках, а масово.

Дисертант приймав безпосередню участь в отриманні та обговоренні результатів, написанні сумісних публікацій.

АНОТАЦІЯ

Ніконоров О.С. Керування структурою, властивостями та спадковістю литих конструкційних сталей. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01. – Металознавство і термічна обробка металів. – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2005 р.

Дисертаційна робота присвячена проблемам керування структуроутворенням виливків, підвищення їх механічних і експлуатаційних характеристик та спадковості литих сталей після наступних операції термічної і хіміко-термічної обробки.

На основі системних досліджень встановлено закономірні зміни первинної литої структури і рівня фізико-механічних властивостей вуглецевих і легованих конструкційних сталей залежно від температурно-часових умов їх кристалізації і наступного охолодження виливків. Показано, що від дії технологічних параметрів лиття та кристалізації залежать процеси структуроутворення, фазово-структурний стан, ступінь рівноважності і завершеності фазових перетворень у виливках. Це зумовлює можливість цілеспрямованого формування у виливках певної металогенетичної інформації (елементів спадковості) на макро-, мікро- та субмікрорівнях.

Виходячи з цього досліджено і встановлено закономірності структурної і фазової спадковості литих сталей, процесів збереження і трансформації первинної литої структури (а значить і властивостей) залежно від наступних операції термічної і хіміко-термічної обробки. Показано, що швидкоохолоджені при кристалізації сталі з дисперсною і більш однорідною структурою, дрібним аустенітним зерном, підвищеною легованістю твердого розчину, з більшим ступенем реалізації мартенситного перетворення при охолодженні виливків і після наступних режимів термічної обробки успадковують закладені при кристалізації елементи структури і забезпечують високий рівень механічних властивостей, що може перевищувати властивості термічно зміцнених деформівних сталей аналогічного хімічного складу.

Встановлено, що характеристики литої структури протяжність і морфологія певних структурних зон виливків суттєво впливають на характеристики дифузійного шару під час операцій хіміко-термічної обробки – глибину евтектоїдної і перехідної зон при цементації, фазовий перерозподіл при азотуванні, тривалість і ефективність дифузійного насичення сталей.

Результати проведених досліджень можуть слугувати основою для розробки нових процесів