Влияние импульсного магнитного поля на морфологию графита высоколегированного чугуна

24/

г: гшшгггта

3 (62), 2011-

The results of researches of change of microstructure of heavily alloyed austenitic cast-iron ChN1507 subjected to magnetoimpulse processing are given. It is established that microhardness rises on all section of the sample.

А. Г. Анисович, и. н. РУМЯнцЕвА, Л. в. БисЛюк, ФТи нАн Беларуси, Е. и. МАРУкович, в. Ф. БЕвзА, в. А. ХАРьков, иТМ нАн Беларуси

влияние импульсного магнитного поля на морфологию графита высоколегированного чугуна

УДК 621.7.044.7:669.13

Введение

Магнитное воздействие является эффективным способом изменения структуры и свойств различных материалов [1-3], в частности водно-электролитных растворов [4], биологических объектов [5, 6], полимерных тканей и волокон [7-9]. Простота технологии, а также высокая производительность применяемых устройств и установок позволяют рассматривать данный метод обработки как перспективный в различных областях хозяйственной деятельности.

На протяжении значительного времени исследования воздействия магнитного поля на металлы и сплавы проводились преимущественно в комбинации с другими воздействиями (деформация, закалка, отжиг, кристаллизация). Наиболее многочисленные исследования такого направления рассматривают влияние магнитного поля на мартен-ситное превращение в сталях [10-13].

В настоящее время выделены эффекты воздействия непосредственно импульсного магнитного поля на структуру и свойства сплавов цветных металлов [1, 14, 15]. Показана возможность изменения структуры и свойств перлитного и феррито-

перлитного чугуна с графитом различной морфологии в импульсном высокочастотном магнитном поле [16, 17]. Было установлено изменение морфологии графита, диспергирование перлита и повышение его однородности, что вызвало повышение твердости.

В данной работе проведено исследование влияния импульсного магнитного поля на изменение структуры чугуна аустенитного ЧН15Д7, полученного методом литья направленным затвердеванием. Химический состав чугуна по ГОСТ 7769-82 приведен ниже. В качестве образцов использовали сегменты, вырезанные из литой заготовки (табл. 1).

C Si Mn Cr Ni Cu

2,84 2,5-2,6 0,54 1,6 15,1 4,7

Т а б л и ц а 1. Характеристика образцов

Номер образца Размеры заготовок для образцов, мм Твердость НВ

диаметр длина L, мм

наружный D внутренний d

3Н1-1 3Н1-3 60 33 237 137-149

Рис. 1. Макро- (а) и микроструктура (б) сегмента кольца, вырезанного из отливки № 3Н1-1

Образцы обрабатывали механически по внутреннему диаметру и наружной поверхности сегмента. Следует отметить, что от наружной кромки к середине макроструктура образца неравномерная по сечению (рис. 1, а). Ширина зоны неоднородности составляет десятую часть от ширины сегмента (см. стрелки). Микроструктура также неоднородна (рис. 1, б).

Экспериментальная установка и методика исследований

Изменения в структуре образцов в результате МИО были изучены с использованием металлографического комплекса на основе металлографического микроскопа МИКРО-200. Фиксацию изображений производили с помощью видеокамеры с выводом на монитор персонального компьютера. Количественную обработку микроструктуры осуществляли с помощью программы «IMAGE-SP». Исследование изменения структуры до и после МИО проводили методом прицельной металлографии при увеличении 2000.

Для обработки в магнитном поле использовали экспериментальную магнитно-импульсную установку. Образцы размещали в осевой зоне индуктора (рис. 2). Параметры экспериментальной установки приведены в табл. 2.

о

7*

глгтг:г: г: глгтгг^/7ггггггг? / ос

-3 (62), 2011 / ли

Т а б л и ц а 2. Параметры экспериментальной установки

Характеристики генератора и индуктора Значение

Энергия импульса, кДж 0,6 - 20

Емкость конденсаторной батареи, мкФ 1200

Собственная частота разрядного контура, кГц 20

Разрядный ток, кА 30 - 50

Магнитная индукция, Тл 10 - 20

Длительность импульса тока, мкс 150 - 200

Время нарастания тока до максимального значения, мкс 30

Принципиальная схема воздействия магнитного поля представлена на рис. 3, а, где показаны два цикла обработки. Единичный цикл МИО представлял собой серию затухающих колебаний (рис. 3, б).

Импульс воздействия магнитного поля формировался за счет разряда емкостного накопителя на индуктор через высоковольтный управляемый разрядник. В рабочей зоне индуктора импульсное магнитное поле наводит в находящейся в нем металлическом образце вихревые токи. В результате взаимодействия токов индуктора и образца возникают механические усилия, оказывающие давление на образец. Температура образцов в процессе обработки магнитным полем не превышала 40 °С [18]. Параметры магнитно-импульсной обработки приведены в табл. 3.

Т а б л и ц а 3. Параметры магнитно-импульсной обработки

Номер образца Параметры МИО

(заготовки) и, кВ J, кДж п

3Н1-1 1,8 2 2

3Н1-3 1,3 1 6

Рис. 2. Схема воздействия: 1 - корпус индуктора; 2 - образец; 3 - сепаратор; 4 - катушка индуктора; - суммарное омическое сопротивление электрической цепи

П р и м е ч а н и е. и - напряжение на конденсаторной батарее; J - энергия импульса.

Рис. 3. Схема обработки: а - принципиальная схема импульсного воздействия; б - форма единичного импульса; Н - напряженность магнитного поля; п - количество циклов; т - время

26/

г: гшшгггта

3 (62), 2011-

Измерение микротвердости проводили на приборе ПМТ-3. Нагрузка на инденторе составляла 50 г. Время выдержки под нагрузкой 17 с. Отпечатки располагали на расстоянии 1000 мкм друг от друга начиная от наружной поверхности. Первый отпечаток расположен на расстоянии порядка 2000 мкм от наружной кромки.

Результаты и их обсуждение

На рис. 4 приведены микроструктуры образцов 3Н1-1 и 3Н1-3 в исходном состоянии. Матрица представлена аустенитом и пластинчатыми включениями графита. Форма включений графита ПГф4 (ГОСТ 3443-87).

После МИО наблюдается изменение вида и размеров графитных включений. Наиболее харак-

терные структуры представлены на рис. 5, 6, где даны микроструктуры и «маски» соответствующих включений графита. («Маска» - это результат выполнения операции «Обнаружение объектов» в программе «IMAGE - SP», при этом объекты, подлежащие количественному анализу, выделяются определенным цветом. После этого определяются размеры окрашенной области - площадь, длина, ширина, периметр и т. д.). Номера масок соответствуют номерам включений графита на микрофотографиях. Основными эффектами изменения микроструктуры являются увеличение размера и слияние близко расположенных включений графита. Наиболее активно данный процесс проходит у кромок образца. В частности, на рис. 5 показаны изменение размера включения 1, слияние

Рис. 4. Микроструктура образцов в исходном состоянии: а - 3Н1-1; б - 3Н1-3

Рис. 5. Микроструктура (а, б) и маски (в, г) включений графита образца 3Н1-1 в исходном состоянии (а, в), после 2 циклов

МИО (б, г); наружная кромка

Рис. 6. Микроструктура (а, б) и маски (в, г) включений графита образца 3Н1-3 в исходном состоянии (а, в), после 6 циклов

МИО (б, г); внутренняя кромка

включений 2 и 3 и рост сформировавшегося включения на наружной кромке образца. На внутренней кромке процесс изменения формы графита протекает не столь интенсивно (рис. 6).

Изменение площади включений графита после МИО для обоих образцов при изменении количества циклов воздействия показано на рис. 7, 8.

Площадь включений графита в образце 3Н1-1 после воздействия двух циклов МИО значительно увеличилась на наружной кромке и незначительно -на внутренней. Среднее значение площадей, занимаемых графитом, на наружной и внутренней кромкам составило соответственно 132 и 226 мкм2. Повышение площади включений графита составило 70-75% от исходной после двух циклов МИО.

После шести циклов МИО также наблюдается рост площади включений графита и составляет 7 и 20% на наружной и внутренней кромках соответственно.

На образце 3Н1-1 провели определение микротвердости аустенитной матрицы по сечению сегмента. Микротвердость неравномерна по сечению, численные значения ее по радиусу сегмента варьируются в пределах 1800-3000 МПа (рис. 9). После магнитно-импульсной обработки микротвердость по сечению образца повышается на 30-40% от исходных значений. Неравномерность микротвердости по сечению сохраняется.

Судя по изменению микротвердости, в отливке состава 3Н1-1 при используемых параметрах МИО

я н £

03 Он

С

л

«

ев 0" О

4 с

250

200

150

100

50

наружная кромка  внутренняя кромка

1

1

и

исходным

2 цикла

Рис. 7. Изменение площади включений графита в образце 3Н1-1

130

1?5

» 120

1 15

н

к 110

а 105

д 100

ч

а 95

о И 90

С 85

80

наружная кромка О внутренняя кромка

исходный

6 циклов

Рис. 8. Изменение площади включений графита в образце 3Н1-3

О -1-1-1-1-1-1-1-1-1-

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 Радиус сегмента, мкм

Рис. 9. Изменение микротвердости по радиусу сегмента отливки № 3Н1-1 после МИО двух циклов

трансформация структуры происходит по всей толщине.

Изменение характера включений графита в данном случае, возможно, связывать с процессами, протекающими в аустенитной матрице. В соответствии с [19] импульсное воздействие приводит к существенному измельчению зерна за счет процесса фрагментации структуры. При этом для новых зерен характерна зубчатость границ, что является признаком динамической рекристаллизации.

Формирование зубчатых границ наблюдали в [20] при МИО меди. Такую границу можно рассматривать как сложную двойниковую с участками двойниковой ориентации разного порядка. При импульсном магнитном воздействии микропластическая деформация происходит по механизму интенсивного двойникования и сопровождается повышением плотности дислокаций [19]. В результате микропластической деформации и процессов релаксационного типа [1] в аустенитной матрице чугуна возможна реализация процессов динамической рекристаллизации и фрагментации. Поэтому изменение формы включений графита может быть вызвано формированием и ростом новых зерен вблизи включений графита. Увеличение площади, занимаемой графитом, возможно за счет коалес-ценции мелких включений междендритного и точечного графита при движении границ зерен.

Исследование финансируется Белорусским Республиканским Фондом фундаментальных исследований.

Литература

1. А н и с о в и ч А. Г. Закономерности процессов структурообразования и термодинамический аспект организации структуры металлов при нестационарных энергетических воздействиях: Дис. ... д-р физ.-мат. наук. Мн., 2005.

2. М а р т и н Д ж., Д о э р т и Р. Стабильность микроструктуры металлических систем. М.: Атомиздат, 1978. С. 247-252.

3. А н и с о в и ч А. Г. Импульсные методы обработки металлов // Тендер. 2006. № 56. С. 14-16.

4. К о к ш а р о в С. А., К о н с т а н т и н о в О. И., М е л ь н и к о в Б. Н., М о р ы г а н о в А. П. Влияние магнитного поля на состояние растворов активных красителей // Журн. прикл. химии. 1990. Т. 63. № 3. С. 565-571.

5. Б и н г и В. Н., С а в и н А. В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы // Успехи физических наук. 2003. Т. 173. № 3. С. 265-300.

6. Г о р о д е ц к а я Е. А., С п и р и д о в и ч Е. В., К о р е в к о И. А., А ж а р о н о к В. В., Ф и л а т о в а И. И., Н е -к р а ш е в и ч Я. И. Влияние плазменно-радиоволновой обработки на посевные качества семян // Докл. НАН Беларуси. 2007. Т. 51. № 6. С. 256-262.

7. А ж а р о н о к В. В., Ф и л а т о в а И. И., В о щ у л а И. В., Д л у г у н о в и ч В. А., Ц а р ю к О. В., Г о р ж а н о -в а Т. Н. Изменение оптических свойств бумаги под влиянием магнитной составляющей высокочастотного электромагнитного поля // ЖПС. 2007. Т. 74. № 4. С. 421-426.

8. П е р с и д с к а я А. Ю., К у з е е в И. Р., А н т и п и н В. А. О влиянии импульсного магнитного поля на механические свойства полимерных волокон // Хим. физика. 2002. Т.21. № 2. С. 90-98.

9. Г у л ь В. Е., Х а н ч и ч О. А., С а в ч е н к о Н. А. Воздействие однородного магнитного поля на термотропный жидкокристаллический сополимер оксибензойной кислоты и этилентерефталата // Механика композиционных материалов и конструкций. 1995. Т.1. № 2. С. 124-128.

10. С ч а с т л и в ц е в В. М., Р о м а ш е в Л. Н., Я к о в л е в а И. Л., С а д о в с к и й В. Д. Электронно-микроскопическое исследование структуры кристаллов мартенсита, зародившихся под действием импульсного магнитного поля // Физика металлов и металловедение. 1981. Т. 51. № 4. 51. С. 773-782.

11. А г а п о в а Е. В., Г у н д ы р е в В. М., С и д о р о в Е. В. О структурных изменениях в сплаве ЮНДК35Т5АА при термомагнитной обработке // Физика металлов и металловедение. 2006. Т. 102. № 2. С. 178-183.

12. К а л е т и н а Ю. В., Ф о к и н а Е. А., С ч а с т л и в ц е в В. М. Особенности влияния импульсного и постоянного магнитных полей на мартенситное превращение в сплавах с изотермической кинетикой // Физика металлов и металловедение. 2005. Т. 99. № 1. С. 31-37.

13. Г в о з д е в А. Г., Б о р о д и н И. П., Г в о з д е в а Л. И., С у ш к о в а Т. В., П а х о м о в А. А. Исследование влияния обработки в импульсном магнитном поле на свойства стали 4Х5МФ1С // Материалы V Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», 12-14 марта 2008 г, Оренбург, Россия. Т. 1. С. 370-373.

14. З д о р Г. Н., А н и с о в и ч А. Г., Я с к о в и ч А. Г. Применение импульсного магнитного поля для повышения механических свойств сплавов цветных металлов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. № 5. С. 65-70.

15. З д о р Г. Н., А н и с о в и ч А. Г., Ш и м а н о в и ч В. Д., А ж а р о н о к В. В., Д р е с в и н С. В. Трансформация структуры и свойств бериллиевой бронзы под воздействием высокочастотного магнитного поля // Изв. РАН. Металлы. 2003. № 4. С. 100-105.

16. А н и с о в и ч А. Г., Р у м я н ц е в а И. Н., Б е в з а В. Ф., М а р у к о в и ч Е. И., А ж а р о н о к В. В., Г о н ч а -р и к С. В. Изменение структуры чугуна СЧ25 в модулированном по амплитуде высокочастотном электромагнитном поле // Электронная обработка материалов. 2009. № 2(256). С. 47-56.

_гг^г: г: г,г^ггггтгггг /оо

-3 (62), 2011 / Л

17. А н и с о в и ч А. Г., Р у м я н ц е в а И. Н., М и с у н о П. Н., Б е в з а В. Ф., А ж а р о н о к В. В . Изменение структуры и свойств уплотнительных колец из чугуна при магнитно-импульсной обработке // Электронная обработка материалов. 2010. № 2 (262). С. 19-26.

18. А н и с о в и ч А. Г., Р у м я н ц е в а И. Н., М а р у к о в и ч Е. И., А ж а р о н о к В. В., Г о н ч а р и к С. В. Изменение структуры чугуна СЧ25 в модульном по амплитуде высокочастотном электромагнитном поле // Электронная обработка материалов. 2009. № 2. С. 47-56.

19. Д а в ы д о в С. В. Эффективность магнитно-импульсной обработки // Вестн. БГТУ 2007. № 3(15). С. 8-9.

20. З д о р Г. Н., Т о ф п е н е ц Р. Л., А н и с о в и ч А. Г., З а р е ц к и й И. А. Структурообразование в меди под воздействием импульсного магнитного поля // Изв. Рос. Акад. наук. Сер. физ. 1995. Т. 59. № 10. С. 65-71.