Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние инокулирования на макро- и микро-структуру литого металла 9
1.1 Особенности строения отливки 9
1.2 Влияние инокуляторов на кристаллизацию отливок 12
1.3 О влиянии инокулирования на кристаллическое строение отливок 22
1.4 Неметаллические включения в крупных отливках 25
1.4.1 Поведение включений при кристаллизации стали 25
1.4.2 Распределение неметаллических включений в отливке 28
1.4.2.1 Распределение оксидных включений 30
1.4.2.2 Распределение сульфидных и оксисульфидных включений 31
1.5 Дендритная неоднородность отливки 32
Глава 2 Материал и методика исследования 36
2.1 Сведения о материале исследования 36
2.2 Методика исследования 43
2.2.1 Методика приготовления микрошлифов 43
2.2.2 Методика определения природы неметаллических включений 43
2.2.3 Методика определения индекса загрязненности и размера неметаллических включений 44
2.2.4 Методика определения параметров дендритной структуры 45
2.2.5 Методика исследования микроструктуры 47
2.2.6 Методика определения микротвердости 48
2.2.7 Методика определения химической неоднородности 48
2.2.8 Методика исследования металла поковок 49
Глава 3 Исследование влияния инокулирования на химическую неоднородность литого металла 51
Глава 4 Исследование влияния инокулирования на дендритную структуру заготовки 61
4.1 Влияние инокулирования на формирование дендритной структуры отливки 61
4.2 Исследование влияния инокулирования на развитие дугообразных трещин 77
Глава 5 Исследование влияния инокулирования на микроструктуру заготовки 89
5.1 Исследование влияния инокулирования на природу неметаллических включений 89
5.2 Исследование влияния инокулирования на размер и распределение неметаллических включений в различных сечениях отливок 92
5.3 Исследование влияния инокулирования на загрязненность литого металла неметаллическими включениями 108
Глава 6 Исследование влияния инокулирования на химиическую неоднородность и механические свойства промышленных валов из стали 38ХНЗМФА 123
Общие выводы по работе 133
Список использованной литературы 135
Приложения 144
- О влиянии инокулирования на кристаллическое строение отливок
- Распределение сульфидных и оксисульфидных включений
- Методика определения индекса загрязненности и размера неметаллических включений
- Исследование влияния инокулирования на развитие дугообразных трещин
Введение к работе
Производство изделий ответственного назначения, роторов турбогенераторов, судовых валов, изделий для энергетических машин и для других отраслей тяжелой промышленности - является важным направлением в развитии отечественного машиностроения. Все крупные уникальные изделия изготавливаются из стальных отливок большой массы.
Высокие требования, предъявляемые к качеству таких изделий, могут быть достигнуты при обеспечении структурной однородности металла по длине и сечению крупногабаритных изделий, а также при низком уровне и стабильном составе неметаллических включений и примесей, влияющих на характеристики механических свойств.
Повышение структурной плотности металла в литом состоянии достигается посредством ускоренного охлаждения кристаллизующегося расплава. В.А. Ефимов, С.С. Затуловский сформулировали теоретические основы и дали практические рекомендации по использованию внутренних теплостоков, обеспечивающих ускоренный теплоотвод и измельчение дендритной фазы исходного литого металла. Существенный вклад в развитие теории и технологии суспензионной разливки внесли работы Н.Т.Гудцова, А.А. Рыжикова, Ю.З. Бабаскина, A.M. Мадянова, Г.Ф. Баландина, Б.Б. Гуляева, М.Флемингса, D.Turnbull.
Введение дополнительных центров кристаллизации, уплотняя дендритную структуру, снижает развитие ликвационной неоднородности и обеспечивает равномерное распределение неметаллических включений в готовом металле. Природу неметаллических включений, их величину и расположение в металле ответственных машиностроительных изделий исследовали В.И. Явойский, B.C. Дуб, А.В. Дуб, Ю.А. Шульте, К. Нарита, М.И. Виноград, В.Даль. В их работах подчеркивалась значительная роль параметров неметаллической фазы в обеспечении служебных свойств деталей. Измельчение и уплотнение дендритной структуры, снижение ликвационной неоднородности обеспечивалось традиционными инокуляторами (дробью, порошком, обсечками). При этом выявлено увеличение количества оксидной фазы, негативно влияющей на характеристики механических свойств. С появлением работ СИ. Жульева, Н.А. Зюбана, К.Е. Титова по введению эндогенных инокуляторов в металл появилась возможность сократить рост загрязненности металла оксидами, так как исключалось введение твердых, предположительно окисленных частиц.
Однако остается открытым вопрос об оценке влияния инокулирования на структурные параметры литого металла, определяющие, в конечном итоге, служебные свойства крупногабаритных-изделий ответственного назначения.
Актуальность диссертационной работы подтверждается проектом Министерства промышленности, науки и технологии 6/354-03 "Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения" (2003 г.) по распоряжению №3.900/41-68 от 26.03.2003 г.
Промышленные эксперименты проводились на ФГПУ ПО «Баррикады».
Цель работы - повысить служебные свойства готовых крупногабаритных деталей тяжелого машиностроения за счет повышения химической однородности, измельчения дендритной структуры и снижения количества неметаллических включений при применении инокулирования, для исключения повторных термических обработок на заключительной стадии производства.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи.
1. Исследовать уровень и распределение по длине показателей механических свойств металла промышленных валов из стали 38ХНЗМФА, полученных по различным производственным технологиям. 2. Изучить влияние инокулирования на природу и распределение неметаллических включений, параметров дендритной структуры и химическую неоднородность металла исходных литых заготовок.
3 Провести оценку влияния исследуемых факторов на показатели механических свойств готовых изделий машиностроения и дать рекомендации по применению инокулирования.
Научная новизна. Впервые установлено, что введение эндогенных ино-куляторов в процессе разливки привело к уплотнению и измельчению дендритной структуры, снизило объемную ликвационную неоднородность и сократило количество оксидной фазы на 55 % по сравнению с использованием традиционных инокуляторов.
Показано, что уменьшение дендритного параметра в 1,2 раза и повышение плотности дендритных осей в 1,3 раза в инокулированном металле, что обеспечивает меньшее развитие ликвации углерода, серы и фосфора.
Уплотнение дендритной структуры снижает объем междендритных пространств и обеспечивает существенное снижение развития дугообразных трещин.
При применении инокулирования параметры кристаллической структуры, распределение неметаллических включений и ликвирующих примесей более однородны по всему объему заготовки, что обеспечивает стабильность характеристик механических свойств металла готовых изделий тяжелого машиностроения.
Впервые по значению дендритного параметра стало возможным оценить эффективность внешнего воздействия (инокулирования) на металл в условиях разливки и последующей кристаллизации. На защиту выносятся:
1) Результаты исследования химической неоднородности заготовок и промышленных валов из стали 38ХНЗМФА, полученных разливкой в вакууме и при распылении струи металла с образованием инокуляторов.
2) Результаты детального исследования воздействия инокуляторов на формирование дендритной структуры.
3) Оценка эффективности влияния инокулирования на различные зоны заготовок.
4) Результаты исследования воздействия инокуляторов на природу, размер, распределение и загрязненность неметаллическими включениями.
5) Выявлена связь между первичной структурой литого металла и служебными свойствами готовых изделий тяжелого машиностроения.
Практическая ценность. Полученные результаты позволили устранить повторные термические обработки крупногабаритных изделий за счет более высоких характеристик литого металла слитка по структурной и химической однородности и снижения размера и количества в нем включений при разливке слитков с инокулированием струи металла в вакууме.
Использование заготовок, полученных при инокулировании, позволило улучшить качество выпускаемой продукции, и, за счет этого, устранить повторные термические переработки длинномерных изделий. Экономический эффект составил 1205,199 тыс. руб.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на следующих конференциях и семинарах: Современные проблемы металлургического производства (Волгоград, 2002 г); VI, VIII, X Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2001,2004,2005 гг), Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2005). Достоверность полученных результатов основана на большом массиве экспериментальных данных, полученных на образцах литого и деформированного металла с применением металлографических микроскопов OLIMPUS ВХ61, МИМ-8, МБС-9, микротвердомеров ПМТ-3, а также с использованием компьютерных программ - определения плотности дендритной структуры и дендритного параметра.
Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю диссертационной работы доктору технических наук, профессору СИ. Жульеву.
Большую признательность автор выражает преподавателям, сотрудникам и аспирантам кафедры «Технология материалов» и в первую очередь кандидату технических наук, доценту Г.П.Шевкун за неоценимую помощь, оказашгую при выполнении работы.
Автор благодарит заведующего кафедрой «Материаловедение и композиционные материалы» доктора технических наук, профессора Трыкова Ю.П. и сотрудников этой кафедры, оказавших содействие при проведении исследования микроструктуры и микротвердости.
О влиянии инокулирования на кристаллическое строение отливок
Главным в механизме фазовых превращений при первичной кристаллизации, как и при перекристаллизации, является зарождение и рост центров новых фаз. Вводимые добавки могут по-разному влиять на этот процесс. Общей закономерностью является уменьшение инокулирующими добавками (нерастворимыми примесями или соединениями) структурных переохлаждений в условиях охлаждений и перегревов при нагреве металла. Ю.З. Бабаскин считает, что ино-куляторы, в частности частицы TiN, используемые при порошковом инокулиро-вании, хотя и являются центрами зарождения аустенита и феррита, тем не менее, отрицательно влияют на микроструктуру литых сталей ферритно-перлитного, перлитного и мартенситного классов, что приводит к снижению их пластичности и ударной вязкости. Вместо тугоплавких нерастворимых частиц (TiN, Ti(CN) и др.) Ю.З. Бабаскин рекомендует применение так называемых растворимых примесей, в частности ванадия совместно с азотом [39].
В своих работах Ю.З. Бабаскин исследовал влияние инокулирования порошками тугоплавких металлов на структуру металла. Результаты микрорентге-носпектрального анализа сталей различных классов показали, что такое иноку-лирование практически не влияет на коэффициент распределения легирующих элементов в ветвях и межветвенных участках дендритов. Например, распределение хрома в модифицированной стали стало равномернее только за счет того, что уменьшились междендритные расстояния. Минимальные содержания хрома отвечают ветвям, а максимальные - межветвенным участкам металла [40]. Ю. 3. Бабаскин утверждает, что по своей значимости такой характер изменения химической неоднородности в модифицированной стали является одним из важнейших последствий диспергирования дендритной структуры.
С химической дендритной неоднородностью непосредственно связано и развитие таких дефектов структуры в стали, как грубые выделения первичных фаз основного металла и вторичных карбидов. Например, ликвация ферритооб-разующих элементов в межветвенные участки приводит к образованию в них а-фазы. При этом выделения тем больше, чем больше размеры межветвенных участков [40].
Охлажденные и затвердевшие капли металла того же химсостава, что и жидкий металл, понижают перегрев жидкой стали, способствуя снижению внутренней энергии расплава и увеличению скорости кристаллизации и числа центров кристаллизации.
Важным преимуществом суспензионной разливки, по мнению С. С. Зату-ловского, является уменьшение объема концентрационной усадочной раковины, подусадочной и осевой рыхлости. Это позволяет уменьшить на 10 - 20 % объем прибылей суспензионных отливок, что дает увеличение выхода годного металла на 5 - 10 %. Затуловский экспериментально установил, что после введения дисперсного инокулятора в сталь жидкотекучесть расплава снижается на 15 - 20 % пропорционально количеству введенного инокулятора. С точки зрения технологии это явление повышает минимально допустимую толщину стенки отливки до 8 - 10 мм и вызывает необходимость в увеличении сечения литниковых каналов на20-40%[16].
Снижение температуры заливки, оптимизация затвердевания, уменьшение усадки - основные факторы, которые благоприятно влияют на повышение тре-щиноустойчивости отливок при разливке с шюкуляторами. После суспензионной заливки существенно повышается изотропность и уровень механических свойств литого металла: пластичность металла повышается на 30 - 50 % и более, ударная вязкость - на 25 - 30 %; максимальный эффект обнаруживается в срединной (на половине радиуса) и осевой зоне отливок; снижение анизотропии свойств коррелируется со значительным снижением физико-химической однородности металла и устранением зоны столбчатых кристаллитов [16].
Применение в качестве инокуляторов железных порошков вследствие окисления их поверхности во время хранения может приводить к увеличению неметаллических включений и повышению концентрации газов в разливаемом металле. Разработанные за последнее время способы защиты порошков от вторичного окисления существенно усложняют технологию получения литых заготовок, повышают их себестоимость, что сдерживает широкое применение этих способов в промышленных масштабах [13].
Более эффективным в этом направлении являлось бы осуществление процесса образования дополнительного количества капель непосредственно в струе при вакуумной разливке металла, которые за время падения в расплав затвердевали без образования на своей поверхности окисной фазы и играли бы роль охлаждающих добавок того же химического состава, что и основной металл [3].
Время плавления в жидком металле, образующихся при разливке инокуляторов, несоизмеримо мало по отношению к времени отливки всего слитка и существования расплава в жидком состоянии. Отсюда следует два важных вывода: для крупных отливок процесс плавления инокуляторов не зависит от ус ловий внешнего теплоотвода. Это свидетельствует о том, что за время взаимо действия твердых частиц с расплавом в окружающее пространство отводится сравнительно небольшое количество тепла, то есть интенсивность воздействия на расплав частиц намного выше интенсивности внешнего теплоотвода; - инокулирующее воздействие вводимых добавок заключается не столько в затравочном действии самих частиц, сколько в активации готовых и образовании дополнительных центров кристаллизации в результате их теплофизическо го и модифицирующего воздействия на кристаллизующийся расплав.
Распределение сульфидных и оксисульфидных включений
Наибольшее количество сульфидных и высокоглиноземистых включений сосредоточено в местах наибольшей ликвации, и особенно в местах зональной Л-образной сегрегации примесей [3,43]. В местах выделения плотного слоя ликватов, у границы затвердевания, наблюдается запаздывание в кристаллизации стали. Это снижение скорости кристаллизации отчетливо проявляется в менее развитых осях дендритов и сильном обогащении пограничного слоя сульфидными включениями и карбидами. В слоях, непосредственно примыкающих к зональной ликвации, было обнаружено на расстоянии 2 - 10 мм обогащение не только сульфидными, но и высокоглиноземистыми включениями. Максимальное количество сульфидных включений (до 35 на 1 см2) наблюдалось в самом ликвационном шнуре [44]. Хотя количество сульфидных включений на расстоянии 2 мм от ликвационной полосы меньше, чем в ней, но оно все же в 8 - 12 раз, а глиноземистых в 4 - 8 раз выше среднего по слитку уровня. Установлено, что сульфидные и высокоглиноземистые включения располагаются в междендритной зоне, обогащенной карбидами, а глобулярные оксидные включения - главным образом, в осях дендритов и междендритном пространстве.
Минимальная загрязненность серой в крупных отливках наблюдается в зоне отрицательной ликвации стали. Дендритная неоднородность играет главную роль в формировании механических свойств литой структуры. Однако сегрегация примесей, которая обнаруживается в затвердевшем сплаве, является результатом сложных процессов массопереноса примесей, происходящих при формировании отливки. Главными процессами, определяющими дендритную неоднородность стали, считаются следующие: - зарождение рост кристаллов в зоне переохлажденного металла и накопление на их поверхности слоя ликватов; - перемещение индивидуальных кристаллов в зоне двухфазного состояния стали и смывания части ликвирующих примесей с их поверхности; - перемещение ликвирующих примесей при взаимном схватывании ветвей дендритов под действием капиллярных сил и усадочных процессов в междендритных пространствах.[6,14] Зарождение и рост индивидуальных кристаллов происходит в переохлажденных зонах жидкого металла. При формировании отливки наблюдается последовательное возникновение двух следующих переохлажденных зон: в районе соприкосновения жидкого металла со стенкой изложницы; - за зоной столбчатой кристаллизации стали при концентрационном переохлаждении расплава.
Ширина переохлажденной зоны в первом случае составляет 15-25 мм, а во втором - от 100 мкм до 2-3 мм. Кристаллы в этих зонах образуются на подложках - зародышах, то есть по законам гетерогенного образования. Ряд элементов, образующих в расплаве тугоплавкие и малорастворимые соединения, способны оказывать инокулирующее влияние на расплав. Дендритная неоднородность равноосных кристаллов в слитках зависит от периодов свободной циркуляции индивидуальных кристаллов в объеме жидкого металла и устойчивого состояния взвешенных кристаллов в осевых объемах отливки после отвода тепла перегрева стали. То обстоятельство, что концентрация ликвируюших примесей в междендритных пространствах в конусе осаждения в 7 - 10 раз ниже, чем в кристаллах на верхних горизонтах, доказывает, что гидродинамические условия конвективного перемещения равноосных кристаллов способствуют смыванию ликвирующих примесей с их поверхности. Одновременно, и размеры равноосных кристаллов в донной части отливки также определяются продолжительностью роста их в течение опускания с верхних на нижние горизонты слитка. [6,7] Это объясняется тем, что рост дендритов происходит в условиях взаимного торможения. Дендриты, участвующие в конвективном перемещении жидкого металла, имеют округлую форму с оплавленными ветвями. Циркуляционные потоки жидкости перемещают равноосные кристаллы в перегретые объемы металла, в которых вторичные ветви оплавляются. В период конвективного перемещения и медленного роста кристаллов поверхность их покрывается ликвирующими примесями. При этом они не вступают друг с другом в контакт и смываются жидким металлом. Дендритная неоднородность таких кристаллов значительно меньше. При затвердевании осевых объемов после отвода тепла перегрева равноосные кристаллы свободно плавают в расплаве. В этот период они как будто закреплены в пространстве на относительно большом расстоянии друг от друга и растут в объеме обогащенной ликватами жидкости. Концентрация примесей в междендритном пространстве и дендритная неоднородность достигают максимальных значений. Зарождение кристаллов в неподвижном объеме отливки может происходить не только на гетерогенных зародышах, но и на обломках ветвей дендритов, возникших в зоне конвективного перемещения кристаллов. Увеличение скорости конвективного движения кристалла, коэффициента диффузии ликвирующих примесей и уменьшение размеров плавающего кристалла и вязкости расплава способствует более энергичному смыванию ликва-тов с поверхности затвердевших зародышей в отливке.[2,6]
Методика определения индекса загрязненности и размера неметаллических включений
Природу включений определяли металлографическим методом на полированных шлифах, вырезанных из темплетов в соответствии с п.2.1 (рисунок 2.6, 2.7). На металлографическом микроскопе использовался поляризованный свет, светлое и тёмное поля. Определялись форма, цвет и прозрачность, степень анизотропии, расположение их в литой структуре. Сопоставление конкретного включения по его признакам с эталонами включений на шлифах или на фотографиях, при использовании классификационных таблиц позволило отнести наблюдаемое включение к одному из известных типов. В светлом поле зрения определение природы включений проводилось с призменным иллюминатором при увеличении х250. При данном увеличении наблюдали и считали общее количество включений, отдельно встречающиеся виды включений, их форму, цвет, взаимное расположение (группами, цепочкой, изолированно). При наблюдении в тёмном поле зрения дефекты шлифа - царапины, выбоины, посторонние частицы, не имеющие никакого отношения к включениям, ярко блестят (из-за рассеяния света), поэтому при исследовании находили включение в светлом поле зрения, а затем, не отрывая глаз от окуляра, быстро устанавливали тёмное поле зрения (выдвижением диафрагмы). В тёмном поле зрения определяли прозрачность включений, собственный цвет включений, строение прозрачных включений. Прозрачные включения в тёмном поле зрения кажутся светлыми и светятся (но не блестят как царапины) тем ярче, чем прозрачнее включение. Непрозрачные включения кажутся тёмными, иногда (как, например, закись железа) темнее, чем основной фон: такие включения окаймлены светящейся линией. В тёмном поле зрения собственный цвет включения не маскируется лучами, отраженными от поверхности включения, как в светлом поле зрения, поэтому его можно видеть.
Для исследования в поляризованном свете после установки объектива и соответствующего освещения в ход лучей вводился поляризатор. При исследовании в поляризованном свете определяли анизотропию включений. Изотропные включения при вращении предметного столика остаются неизменными, анизотропные же показывают попеременно угасания и просветления, сопровождаемые иногда цветными эффектами [41]. Загрязнённость стали неметаллическими включениями, и размер неметаллических включений определяли по ГОСТу 1778-70 по методу Л. Шлиф расчерчивали параллельными линиями в произвольном направлении таким образом, чтобы выбранная длина подсчета была не менее 3 см, и охватывала периферийные и центральные зоны образцов. Шлиф передвигали с помощью микрометрических винтов вдоль предметного столика микроскопа в одном направлении вдоль намеченных линий. Замеряли размеры включений а, попадающих в перекрестие окуляра (рисунок 8), и фиксировали их в соответствии с группами, указанными в ГОСТе 1778-70. Структуру, полученную после травления, исследовали при помощи микроскопа МБС - 9 при увеличениях 8 и 16. Определяли два параметра дендритной структуры: расстояние между осями второго порядка и объемную долю дендритных осей. Для их определения использовался метод фотографирования структуры через микроскоп МБС - 9 цифровым фотоаппаратом с дальнейшей обработкой полученных фотографий с помощью персонального компьютера. Для этого изображения переводились в графический редактор Adobe PhotoShop, затем для оценки дендритного параметра с помощью измерительной линейки редактора Adobe PhotoShop измеряли расстояние между первой и последней осью второго порядка дендритов и подсчитывали количество осей второго порядка, попавших в этот промежуток. Для расчёта междендритного расстояния использовали переводную таблицу, в которой указано, какой истиной величине соответствует одно деление измерительной линейки. Достоинство данного метода заключается в том, что измерения проводятся с большей точностью по сравнению с визуальным методом исследования с помощью микроскопа МБС - 9 благодаря возможности укрупнять изображение и изменять его контрастность. Эти операции способствуют более точному определению границ осей дендрита. Дендритный параметр 1 рассчитывали по формуле: где X - расстояние между первой и последней осями второго порядка, п - количество осей второго порядка. Для определения объемной доли дендритов использовалась созданная группой аспирантов универсальная компьютерная программа «МГП». Разработанная программа осуществляет измерения на произвольно проведённой по предварительно отсканированному или сфотографированному и хранящемуся в виде файла изображению макро- или микроструктуры металла секущей (метод Розиваля). Программа позволяет исследователю наносить секущие линии или сетки в любом направлении и месте и затем проводить оценку параметров макро- и микроструктуры металла слитков. В случае применения линейного метода Розиваля программа может работать в ручном и в автоматическом режимах. В первом случае пользователь наносит каждую секущую самостоятельно. Во втором подсчёт осуществляется на нескольких параллельных секущих, проведённых с указанным в настройках шагом; здесь пользователю достаточно нанести только одну секущую. Кроме этого, результаты подсчёта автоматически записываются в таблицу формата Microsoft Excel.
Объемная доля дендритов рассчитывалась линейным методом по формуле где Д - общая толщина дендритных осей, попавших на секущую, мм; С - общая длина секущей, см. Для оценки влияния инокулирования на параметры дендритной структуры, воспользовались соотношением расстояний между ветвями дендритов 1м об/1м ин предложенным Флемингсом, которым ориентировочно можно оценить эффективность инокулирования. Чем меньше расстояние между осями второго порядка, тем быстрее идет кристаллизация и тем больше показатель эффективности инокулирования. [40] спиртовым раствором азотной кислоты (HNO3). Микроструктуру исследовали под микроскопом OLIMPUS 61, МИМ - 8 при увеличении х60 - 100. Измерение микротвердости в различных зонах проводили с целью оценки структурной и химической неоднородности. Для снятия наклепа от абразивной обработки шлифов их подвергали многократному травлению и переполировке. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 под нагрузкой 100 г. На каждом шлифе проводилось не менее 10 измерений, результаты которых подвергались статистической обработке, оценивался доверительный интервал значений микротвердости. Для оценки влияния инокулирования на ликвационные процессы в отливке, серии образцов из отдельных зон подвергали спектральному анализу с помощью прибора ARC-Met 930. Определяли содержание углерода, серы и фосфора. Для оценки ликвации различных элементов в обычном и инокулиро-ванном металле вычисляли относительные отклонения по содержанию этих элементов по формуле где а - относительное отклонение в % к общей концентрации элемента в плавке; АС - абсолютное отклонение концентрации от среднего, %; С - средняя концентрация элемента в плавке, %. Детальным исследованиям механических свойств подвергались длинномерные валы. Для изучения распределения углерода и механических свойств металла по длине валов, изготовленных из обычной и инокулирован-ной заготовок, два из них разрезались на 12 дисков по схеме, представленной на рисунке 2.9. Из полученных дисков отбирались образцы для определения химического состава металла на спектральном анализаторе. На каждом диске вырезались пробы для определения механических свойств на расстоянии 1/4 толщины вала с двух диаметрально противоположных сторон. Испытания металла на растяжение производились по ГОСТ 1497-84 на двух образцах типа III №4. Ударная вязкость определялась на четырех образцах типа II по ГОСТ 9454-78 при комнатной температуре и минус 50 С (по два образца).
Исследование влияния инокулирования на развитие дугообразных трещин
Исследование строения трех кузнечных заготовок массой 24,2 т из стали 38ХНЗМФА [102-104] позволило обнаружить новый, ранее мало изученный, вид несплошности - дугообразные трещины, которые обрамляют вершину конуса осаждения (рисунок 4.22). Эта область имела внешний диаметр 352 мм, внутренний диаметр 130 мм и занимала 2,3 % площади тела заготовки. Несплошности дугообразного расположения представляют собой ряд прерывистых трещинок небольшой длины, которые выстроены одна за другой, с примерно близкой ориентацией. Трещинки проходят по границам между кристаллами и в целом производят впечатление множественных, протяженных прерывистых межкристаллитных трещин (рисунок 4.22). - корковая зона; 2 - зона столбчатых дендритов; 3 - зона мелких различно ориентированных дендритов; 4 - зона крупных различно ориентированных дендритов; 5 - зона осевой рыхлости и V-образных трещин; 6 - зона конуса осаждения; 7 - область дугообразных трещин. Рисунок 4.22 - Схема расположения трещин в осевой зоне слитка массой 24,2 т из стали Повышенный интерес к этим трещинам обусловлен периодическим обнаружением в готовых поковках роторов множественных (10-80 шт.) трещинок протяженностью 2-7 мм. Дефекты располагаются в объеме с диаметром до 1/3 диаметра изделия, только в одном месте по их длине, и этот участок примерно соответствует месту их обнаружения в заготовке. Расположение несплошностей в поковках никак не соответствовало имеющимся представлениям об осевых трещинах. Выявленные в заготовках трещины, названные авторами дугообразными, по нашему мнению, как раз и являются источником множественных несплошностей в поковках большого диаметра.
Исследование изломов показало, что стенки дугообразных трещин имеют дендритное строение (рисунок 4.23), что свидетельствует об их росте в присутствии жидкой фазы. Трещины (отдельные фрагменты) меняют угол наклона при смещении от оси слитка и его поверхности, повторяя контур вершины конуса осаждения. Они имеют сложное разветвленное строение с отдельными горизонтальными участками, что при последующей ковке может привести к их раскрытию.
Исследование длины, угла наклона и ширины раскрытия участков трещин в заготовке массой 24,2 т из стали 38ХНЗМФА представлены в виде гистограмм на рисунке 4.24 и 4.25 [102,103]. Максимальная длина отдельных участков до 12 мм (рисунок 4.24а). Доля участков трещины с углом наклона к горизонтали более 30 составляет Рисунок 4.24 -Длина (а) и угол наклона (б) участков дугообразных трещин в заготовке массой 24,2 т из стали 38ХНЗМФА
Ширина раскрытия трещины колеблется от 0,5 до 2,25 мм, 90 % раскрыты на 0,5-1,75 мм (рисунок 4.25). Параметры структурных зон окружающих трещину, исследованные авторами [102,103], представлены в таблице 4.2 и 4.3. Как видно из таблицы 4.2, размеры кристаллов в различных зонах значительно отличаются; от 9,9 мм в зоне крупных различно ориентированных кристаллов до 4,5 мм в конусе осаждения. Плотность кристаллов в зоне конуса осаждения максимальна и составляет 2,7 на см" , а в зоне крупных различно ориентированных кристаллов минимальна -1,7 см".
Размер кристаллов в обычной заготовке во всех зонах меньше, чем в инокулированной. Например, в зоне мелких различно ориентированных кристаллов он составляет 6,8 мм в инокулированном металле и 5 мм в обычном, а в конусе осаждения 4,8 и 4,5 соответственно. Плотность кристаллов в конусе инокулированной заготовки выше, чем в обычной и составляет 3 и 2,7 см" соответственно.
