Технология получения прутков малого сечения из сплава 44НХМТ с улучшенными свойств

Высокие механические и специальные свойства высокопрочного чугуна 250Х25Т модифицированного ПМ и хлоридами ХЛ получены за счет снижения содержания серы, образования в структуре вокруг зерен каркаса мелкодисперсных прочных твердых кар-бонитридных включений (таблица 4).

Уменьшение содержания газов во всех литейных сплавах можно объяснить присутствием в модификаторе высокоактивных элементов алюминия, титана, тантала, кальция, калия, натрия, ниобия, хлора и др.

Проведенные исследования показали, что полимодификатор (ПМ) и хлориды (ХЛ) являются универсальными, которые наряду с повышением пластических показателей обеспечили одновременно повышение прочности и других специальных свойств.

Необходимо отметить, что широкое использование хлоридных отходов для модифицирования требует надежной вентиляции ввиду большого выделения хлора вследствие диссоциации хлоридов.

Применение хлоридных отходов (ХЛ) и полимодификатора (ПМ), простота технологии их изготовления, а также универсальность их действия - перспективное направление в повышении физико-механических и эксплуатационных свойств чугунного литья.

Одержано 13.12.2010

Фєдьков В.О., Фєдьков О.В., Міняйло В.І., Мінакова В.І. Модифікування чавунів відходами титаномагнієвого виробництва

Вивчено, розроблено і запропоновано раціональну економічновигідну ефективну технологію модифікування чавунів, що дозволило підвищити механічні і спеціальні властивості чавунів.

Ключові слова: модифікування, чавун, графіт пластівчатий, структура, сплав, зносостійкість, відходи.

Fed’kov V., Fed’kov A., Menyajlo Ye., Minakova V. Iron cast modification with titanium-magnesium production

A rational cost-effective technology of cast iron advantageous modification was offered and developed. This technology allows to increase mechanical and special properties of cast iron.

Key words: modification, cast iron, flakedgrafit, structure, alloy, wear-resistance, waste products.

УДК 621(07)+669 Канд. техн. наук С. М. Кучма, канд. экон. наук А. М. Зинченко, С. Ю. Стародубов

Донбасский государственный технический университет, г. Алчевск

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРУТКОВ МАЛОГО СЕЧЕНИЯ ИЗ СПЛАВА 44НХМТ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Предложен новый технологический метод получения прутков малого сечения из элинварного сплава 44НХМТ с использованием термомеханической обработки. Исследовано влияние динамического старения на физикомеханические и термоупругие свойства полученных прутков. Определен режим термомеханической обработки, обеспечивающий оптимальный комплекс требуемых термоупругих свойств.

Ключевые слова: элинвар, динамическое старение, термоволочильная установка, добротность, температурный коэффициент частоты.

© С. М. Кучма, А. М. Зинченко, С. Ю. Стародубов, 2011

ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2011 87

Установлено, что наиболее высокие показатели свойств чугунов обеспечивали хлоридные отходы (ХЛ) составов 2 и 5 (см. табл. 1) и полимодификаторов составов ПМ2 и ПМ5 (см. табл. 2). При этом оптимальные присадки ПМ и хлоридных отходов ХЛ составляли соответственно 0,8-1,2 % ПМ и 1,8-2,2 % ХЛ для серого чугуна СЧ18 (таблица 3); 1,2-1,5 % ПМ и 2,0-2,5 % ХЛ для износостойкого чугуна 250Х25Т (таблица 4).

Повышение свойств серого чугуна происходило за счет измельчения, равномерного распределения графитовых включений в объеме отливки (из-за присутствия А1, V, 2г, Т1 как модификаторов II рода), их перехода из пластинчатой формы в вермикулярную, уменьшения содержания газов и серы (из-за присутствия М^, Са, К, № и С1 как модификаторов I рода), измельчения макро- и микроструктуры (из-за присутствия модификаторов I и II рода), а также увеличения в структуре перлитной составляющей за счет присутствия в модификаторах перлитизаторов (Сг, Мп).

Влияние полимодификаторов (ПМ) и хлоридных отходов (ХЛ) на свойства износостойкого хромистого чугуна 250Х25Т показано в таблице 4.

1 Введение

Создание новых и совершенствование имеющихся устройств, приборов и изделий радиоэлектронной промышленности требует разработки, освоения производства и совершенствования качества прецизионных сплавов, в частности, элинварных. Как правило, изделия и детали из таких сплавов должны обеспечивать требуемый уровень свойств на рабочих режимах. Так, например, основным элементом канального электромеханического фильтра (ЭМФ) является резонатор 0 2,8 мм, который работает в жестких условиях и должен обладать повышенным уровнем прочностных свойств, гарантированной добротностью (более 25 000 ед.) при температурном коэффициенте частоты (ТКЧ) в пределах ±3-10-6 С-1 в интервале температур от -60 °С до +85 °С [1].

В настоящее время резонаторы канальных ЭМФ изготавливаются из серийных прутков элинварного сплава 44НХМТ 0 4,5 мм. В состоянии поставки выпускаемые серийно металлургической промышленностью прутки и проволока из элинварных сплавов не обладают необходимым комплексом свойств, предъявляемых к заготовкам резонаторов канальных ЭМФ [2].

Кроме того, сортамент отечественной металлургической промышленности не предусматривает производства прутков из элинварного сплава 44НХМТ диаметром менее 4,5 мм.

В производстве полуфабрикатов резонаторов канальных ЭМФ используются две технологические схемы (рис. 1).

Следует отметить, что применение указанных схем связано со значительными технологическими трудностями. Так, при получении малогабаритных прутков по схеме, представленной на рис. 1, а сложно обеспечить качественную рихтовку проволоки из-за малого ее сечения. Существенным недостатком является и применение механической обработки - шлифования с 0 4,5 до 0 3,4 мм. Высокая чувствительность сплава к перегреву требует специального подбора режимов шлифования. Кроме того, процесс связан с безвозвратными потерями дорогостоящего материала и сопровождается выделением в воздух рабочей зоны вредных аэрозолей.

Существенным недостатком технологической схемы, представленной на рис. 1, б является то, что температура старения для ряда плавок, обеспечивающая

Рис. 1. Существующие технологические схемы производства прутков малого сечения (Ш3,4 мм) для изготовления резонаторов канальных ЭМФ из сплава 44НХМТ

получение требуемых значений ТКЧ, не обеспечивает требуемых значений добротности (более 25 000 единиц). В производственных условиях это вызывает большие трудности, связанные с необходимостью экспериментального определения оптимальной температуры старения для каждой плавки и поплавочного запуска металла в производство. Кроме того, для большого числа плавок (приблизительно 30 %) сплава 44НХМТ не удается подобрать режим термической обработки, и эти плавки отбраковываются [3].

Таким образом, проблема дальнейшего совершенствования технологии производства прутков малого сечения из элинварных сплавов типа 44НХМТ является весьма актуальной.

2 Цель и постановка задачи

Для дальнейшего совершенствования технологии элинварных сплавов типа 44НХМТ с целью обеспечения комплекса необходимых термоупругих свойств, промышленно-перспективным путем является использование новых технологических схем обработки. Задачей данной работы является исследование возможности использования старения под напряжением (динамического старения) как способа получения прутков малого сечения для изготовления резонаторов из элин-варного сплава 44НХМТ.

3 Анализ публикаций

Как показывает анализ публикаций, в последние годы успешно разрабатываются и внедряются новые методы упрочнения различных сплавов, среди которых преимущественное значение приобретает термомеханическая обработка во всех ее разнообразных вариантах [4, 5].

Так как элинварный сплав 44НХМТ относится к классу дисперсионно-твердеющих сплавов, то для получения прутков малого сечения возможно применить один из видов термомеханической обработки - динамическое старение. Динамическое старение обеспечивает процесс распада пересыщенного твердого раство-

ра в непрерывно изменяющемся поле упругих напряжений, созданных внешней нагрузкой, и, соответственно, в непрерывно изменяющемся напряженном и структурном состоянии сплава. Кроме того, процесс динамического старения связан с приданием необходимой формы изделию - термофиксацией.

4 Методика исследований

Получение образцов методом холодной пластической деформации с последующим динамическим старением заключалось в том, что закаленную от температуры 1050 °С и охлажденную в воде проволоку подвергали волочению с 0 4,5 мм до 0 3,4 и динамическому старению на термоволочильной установке, схема которой представлена на рис. 2.

Установка состоит из последовательно расположенных задающего устройства 2 для подачи заготовки 1, узлов нагрева 3 и 5, вращающейся роликовой головки

4 и тянущего устройства 6. Вращающаяся роликовая головка установлена на полом шпинделе и имеет три свободно вращающихся ролика, установленных по окружности через 120 °. Роликовая головка вращается с частотой 250.. .350 об/мин. Ролики задающего устройства 2 и тянущее устройство 6 обеспечивают подачу элинварной проволоки диаметром 4,5 мм к узлу нагрева 3 и вращающейся роликовой головке со скоростью 7.10 м/мин.

Термоволочильная установка работает в автоматическом режиме и оборудована гидроприводом, цикл работы которого состоит из двух этапов.

Элинварная проволока 1 подается на задающее устройство 2, откуда поступает в узел нагрева 3. Индуктором узла нагрева 3 проволока подогревается до температуры ~300 °С, что не превышает температуры рекристаллизации.

На первом этапе тянущее устройство 6 перемещается в крайнее левое положение и захватывает проволоку. После захвата тянущее устройство перемещается в крайнее правое положение, протягивая проволоку через вращающуюся роликовую головку 4. При этом

Рис. 2. Схема термоволочильной установки:

1 - заготовка (проволока); 4 - вращающаяся роликовая головка;

2 - задающее устройство; 5 - узел нагрева;

3 - узел нагрева; 6 - тянущее устройство с захватом

к проволоке прикладывается нагрузка, превышающая ее предел текучести. Степень деформации составляет ~ 60 %.

Второй этап начинается с момента возврата тянущего устройства 6 в крайнее правое положение. Захват выходит из рабочей зоны узла нагрева 5, но при этом он продолжает удерживать деформированную проволоку в натянутом состоянии. Однако прикладываемая нагрузка снижается, и ее величина не превышает предела текучести и обеспечивает напряжение 40 МПа. Автоматически включается узел нагрева 5 и нагревает находящийся внутри него участок проволоки до заданной температуры. Таким образом, деформированная проволока в узле нагрева выдерживается в поле упругих деформаций с одновременным воздействием на нее температуры в течение 25 минут. Время выдержки определяли методом последовательных приближений [6]. Температура нагрева проволоки индуктором узла нагрева 5 контролируется фотоэлектрическим пирометром.

Динамическое старение элинварной проволоки диаметром 4,5 мм проводили с приложением растягивающих напряжений 40 МПа в интервале температур от 500 до 750 °С через каждые 25 °С. Сплав выдерживался при заданной температуре в течение 25 минут. Затем пруток отрезался гильотинными ножницами (на схеме они условно не показаны), которые размещаются между вращающейся роликовой головкой 4 и узлом нагрева 5.

Полученный пруток малого сечения разрезали абразивным кругом на заготовки длиной 110±1,0 мм.

На полученных образцах определяли термоупругие свойства (добротность Q и ТКЧ) с использованием метода подсчета числа свободных колебаний (метод измерения декремента затухания) [7]. Для повышения точности определение резонансной частоты проводили по Ш-й гармонике.

ТКЧ определяли по температурному уходу резонансной частоты в интервале температур +5 ...+55 °С, +25 .-60 °С и +25 .+85 °С по формуле:

ТКЧ = — = - &1

<ЗТ 2 -?1)

где &1 - резонансная частота при комнатной температуре, Гц;

/2 - резонансная частота при температуре нагрева (охлаждения), Гц

- комнатная температура, °С;

t2 - температура нагрева (охлаждения), °С.

Добротность определяли по методу измерения декремента затухания [7]. Выбранный метод реализует формулу:

1п А

А2

где N - произвольное целое число периодов,

А , А2 - амплитуды напряжения затухающего колебательного процесса.

А1

При соотношении амплитуд, равном — = Ь0Лр

А2

показания счетчика будут соответствовать значению

0,1Q (Ь - длина образца). В этом случае погрешность измерения зависит от погрешности счета и неточности установки порогов компараторов.

Испытания осуществляли на специально разработанном измерительном комплексе, реализующем выбранный метод определения добротности и включающем прибор ПКП-17, работающий совместно с частотомером ЧЗ-34А.

Нагрев образцов осуществляли в климатической камере с точностью поддержания температуры ±1°С.

Для определения термоупругих характеристик при повышенных температурах использовали специально сконструированную вакуумную камеру, в которую помещали предметный столик с испытуемым образцом. В камере поддерживали вакуум с остаточным давлением не выше 7 -10-3 Па для предотвращения окисления сплава при повышенных температурах. Температуру в камере измеряли с помощью двух встроенных термопар типа ТПП 0555, установленных на границах расчетной длины образца.

Определение прочностных и пластических характеристик осуществляли испытаниями на одноосное статическое растяжение цилиндрических образцов (ось растяжения была ориентирована вдоль направления прокатки) до разрыва с измерением ств, ст0 2, 5, у по стандартным методикам [8, 9].

5 Результаты эксперимента

Степень деформации проволоки в прутках 0 3,4 мм выбрали приблизительно 60 % [10].

Зависимости термоупругих характеристик (ТКЧ, добротности) проволочных образцов из исследуемой плавки, обработанные на термоволочильной установке, от температуры динамического старения приведены на рис. 3.

Необходимо отметить, что прутки диаметром 0 3,4 мм после динамического старения обладают более высокой добротностью ^ = 16000 ед.) по сравнению с серийной проволокой диаметром 0 4,5 мм (@ = 8000 ед.), используемой для изготовления резонаторов канальных ЭМФ.

Анализ экспериментальных данных о характере изменения ТКЧ позволяет сделать вывод, что характер изменения и значения ТКЧ во всем интервале температур испытаний достаточно близки; максимальное приближение к требуемым значениям ТКЧ = ±3-10-6 °С-1 в пределах всего эксплуатационного интервала температур от -60 до +85 °С обеспечивается при температуре динамического старения 670-675 °С. Однако, как видно из рисунка 4, этот интервал температур является очень узким.

Рис. 3. Зависимости ТКЧ и добротности от температуры ДС сплава 44НХМТ

Таким образом, в результате динамического старения достигается значительное повышение добротности (до 15 000 единиц). При этом интервал температур динамического старения, обеспечивающий такое повышение добротности, весьма широк: 630-660 °С (рис. 4). Вместе с тем достичь требуемый уровень ТКЧ (±3 -10-6 °С-1 ) в интервале температур -60.. .+85 °С уда -ется в очень узком диапазоне температур 670-675 °С, несовпадающий с интервалом температур высокой добротности.

К сплавам, используемым для изготовления резонаторов канальных ЭМФ, требования по механическим свойствам не предъявляются. Вместе с тем эти свойства определяют технологичность сплава при назначении требуемых усилий обжатия [11].

Результаты испытаний механических свойств при растяжении представлены на рис. 4 и 5.

Зависимость пластических свойств сплава 44НХМТ от температуры динамического старения представлена на рис. 4. Относительное удлинение 5 при температуре старения 500 °С составляет 1,9 % и с повышением температуры старения растет, достигая

Температура динамического старения, ’С

Рис. 4. Зависимость пластических свойств сплава 44НХМТ от температуры ДС

максимального значения 5,4 %. Одновременно с этим наблюдается уменьшение поперечного сужения, причем при температурах динамического старения ниже 600 °С оно практически остается неизменным, а при температурах динамического старения выше 600 °С -снижается.

Такое поведение механических свойств, а именно: повышение прочностных характеристик (ст ст0 2) и относительного удлинения д с одновременным умень -шением поперечного сужения ш, характерно для образования упорядоченных структур. Оно связано с ориентированным выделением второй фазы в поле напряжений [12, 13], что ведет к упрочнению материала в районе образования шейки и перемещению сосредоточенной деформации в другую область образца. В результате такого характера деформации образца происходит значительное (в 2,5 раза) увеличение относительного удлинения д с одновременным падением поперечного сужения у.

5СО 550 600 650 ТОО 750

Температура динамического старения ‘С

Рис. 5. Зависимость прочностных характеристик сплава 44НХМТ от температуры ДС

6 Выводы

1. Установлено положительное влияние динамического старения на уровень комплекса термоупругих свойств. В частности, величина добротности в прутках малого сечения достигает 15 000 единиц.

2. Определен оптимальный режим динамического старения элинварного сплава типа 44НХМТ, обеспечивающий стабильно высокую добротность в прутках малого сечения 0 3,4 мм: нагрев при температуре 700 °С под нагрузкой, обеспечивающей напряжение 40 МПа, в течение 25 минут.

3. Для обеспечения и прогнозирования требуемого комплекса термоупругих свойств элинварного спла-

ва 44НХМТ необходимо провести дальнейшие исследования структурных превращений, происходящих в сплаве в процессе динамического старения, и выявить оптимальную структуру, обеспечивающую этот комплекс его термоупругих свойств.

Перечень ссылок

1. Паэранд Ю. Э. Малогабаритный полосовой электромеханический фильтр / Ю. Э. Паэранд // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. -№ 5. - С. 16-17.

2. ТУ 14-1-4630 - 89 Проволока холоднотянутая из сплава 44НХМТ. - Введ. 1989-01-07. - М. : Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартами : Изд-во стандартов, 1988. - 8 с.

3. Кучма С. Н. Исследование влияния режимов термической обработки на физико-механические и элинварные свойства сплава 44НХМТ / С. Н. Кучма // Восточноевропейский журнал передовых технологий. - 2005. -№6/1(18). - С. 27-29.

4. Бараз В. Элинварные сплавы: особенности состава, структуры и свойств. Ч. 1 / В. Бараз, В. Стрижак // Национальная металлургия. - 2003. - №4. - С. 96-98.

5. Бараз В. Элинварные сплавы: особенности состава, структуры и свойств. Ч. 2/ В. Бараз, В. Стрижак // Национальная металлургия. - 2003. - № 5. - С. 101-105.

6. Виленкин В. Я. Метод последовательных приближений / В. Я. Виленкин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Наука, 1978 - 108 с.

7. Измерения в электронике : справочник / под ред. В. А. Куз -нецова. - М. : Энергоатомиздат, 1987. - 512 с., ил.

8. Проволока. Методы испытания на растяжение : ГОСТ 10446-80 - [Введ. 1987-01-07]. - М. : Государственный комитет СССР по стандартам. - 1987. - 9 с. - (Изд-во стандартов).

9. Металлы. Методы испытания на растяжение при повышенных температурах : ГОСТ 9651-84 - [Введ. 198601-01]. - М. : Государственный комитет СССР по стандартам. - 1985. - 6 с. - (Изд-во стандартов).

10. Исследование влияния динамического старения на свойства прутков из элинварного сплава 44НХМТ / [А. П. Любченко, Д. Б. Глушкова, С. Н. Кучма, С. Ю. Ста-родубов] // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - № 6/1(18). - 2005. - С. 27-29.

11. Пастухова Ж. П. Пружинные стали и сплавы цветных металлов / Ж. П. Пастухова, А. Г. Рахштадт. - М. : Металлургия, 1983. - 363 с.

12. Суховаров В. Ф. Природа влияния температуры закалки на механизм выделения у'-фазы / В. Ф. Суховаров, А. И. Кольчужкина, В. В. Караваева // ФММ, 1972. -Т. 34, вып. 1. - С. 103-106.

13. Влияние структурно-фазового состояния промышленных дисперсионно-твердеющих сплавов на их технологические и прочностные свойства: отчет о НИОКР/ Восточно-казахский государственный университет им. С. Аманжолова ; рук. Скаков М. К. ; исполн. Ербо-латулы Д. - Курчатов, 2006. - 16 с.

Одержано 01.12.2010

Кучма С.М., Зинченко А.М., Стародубов С.Ю. Технологія отримання прутків малого перерізу зі сплаву 44НХМТ з поліпшеними властивостями

Запропоновано новий технологічний метод отримання прутків малого перерізу з елінварного сплаву 44НХМТз використанням термомеханічної обробки. Досліджено вплив динамічного старіння на фізико-механічні та термопружні властивості отриманих прутків. Визначено режим термомеханічної обробки, який забезпечує оптимальний комплекс потрібних термопружних властивостей.

Ключові слова: елінвар, динамічне старіння, термоволочільнаустановка, добротність, температурний коефіцієнт частоти.

Kuchma S., Zinchenko A., Starodubov S. Bars production technology made of аі^у 44HXMT with improved properties

The new technological method of small bars receiving from elinvar alloy 44НХМТ using thermomechanical treatment was proposed. The effect of the dynamic agening on the physical, mechanical and thermoelastic properties of small bars were researched. The mode of thermomechanical treatment, providing the optimal range required thermoelastic properties, was determined.

Key words: elinvar, dynamic agening, thermal drawing equipment, temperature coefficient of frequency.

УДК 669.15.74.-194-15.669.17

Д-р техн. наук Л. С. Малинов, канд. техн. наук В. Л. Малинов Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ И УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОЛУЧЕНИЕ МНОГОФАЗНЫХ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СТРУКТУР И УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫМИ И ФАЗОВЫМИ

Кратко рассмотрена история появления сплавов с метастабильной структурой. Подчеркнута чрезвычайно важная роль работ в этом направлении И. Н. Богачева и Р. И. Минца. Приведен ряд разработок других авторов. Обобщены результаты исследований в предложенном в начале 70-х годов прошлого века Л. С. Малиновым и реализуемом авторами направлении по ресурсосбережению за счет создания экономнолегированных сталей и чугунов, наплавочных материалов различного назначения, а также эффективных упрочняющих технологий на основе получения многофазных метастабильных управляемо самотрансформирующихся структур в условиях нагружения при испытаниях механических свойств или эксплуатации.

Ключевые слова: ресурсосбережение, экономнолегированные сплавы, упрочняющие технологии, метастабильные многофазные структуры, динамические деформационные превращения, самозакалка, упрочнение, механические свойства, износостойкость.

ПРЕВРАЩЕНИЯМИ

Введение

исследований в перспективном научно-прикладном инновационном направлении, заключающемся в разработке экономнолегированных сплавов и упрочняющих технологий на основе получения многофазных структур (мартенсит, бейнит, феррит, карбиды, карбо-нитриды, интерметаллиды и их разнообразные сочетания), одной из основных составляющих которых является метастабильный аустенит, претерпевающий при нагружении динамические деформационные мар-

Ресурсосбережение в настоящее время является важнейшей государственной проблемой. Одним из перспективных путей ее решения является повышение механических и служебных свойств сталей, чугу-нов, наплавочных материалов, широко применяемых в технике, а также снижение их стоимости исключением из их состава дорогих легирующих элементов (N1, Мо, ^ Со и др.). В работе обобщены результаты

© Л. С. Малинов, В. Л. Малинов, 2011