Технические науки

Металлургия

Жигуц Ю.Ю., Скиба Ю.Ю., Талабірчук В.Ю.

кафедра технології машинобудування, Ужгородський національний університет, вул. Підгірна 46, м. Ужгород, Укріїна

НОВІТНІ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ТА ЗМІЦНЕННЯ ДЕТАЛЕЙ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ СВС-ПРОЦЕСІВ

Мета роботи − дослідження інвертованих структур та їх вплив на властивості білих та стабільно-половинчастих чавунів, карбідосталей.

У евтектичних білих чавунах крім крихкої цементитної матриці спостерігаються ізольовані включення дендритного аустеніту, які при високих навантаженнях “легко” руйнуються у зв’язку з ізоляцією одного “стовпчика” від іншого. Тільки при гарячому деформуванні такого чавуну отримується структура – пластична матриця+карбіди. Таким чином, обробка прокатних валків з білого чавуну проходить у два етапи, на першому – проводиться кування при малому ковальському тиску і тільки після руйнування цементитної сітки по границям зерен виконується другий етап – кування при високому тиску.

Введення приблизно 1% Cr при виплавках дозволяє повністю запобігти графітизації. Легування ж V або Nb робить структуру такою, що відповідає принципу Шарпі-Бочвара (у в’язкій матриці знаходяться високотверді включення). При комбінованому легуванні V і Mn у білому чавуні досягнуто показник відносного видовження 8%, що вдалося за рахунок докорінної зміни структури матеріалу: матриця стала аустенітною, а карбіди ванадію VC, утворили ізольовані сферичні, пластинчасті та стержньові включення.

Легування ванадієм при концентраціях значно більших ніж С_Vmin перетворює структуру чавуну у перлітну матрицю з карбідами VС, що дає підвищення пластичності, зниження зносостійкості одночасно із незначним зниженням міцності на розтяг.

Комплекснолеговані чавуни не повинні бути "перелегованими", бо це приводить до зменшення механічних властивостей, тому рекомендуються наступні межі легуючих елементів (у % за масою):

.

Ці “пластичні” чавуни не тільки спроможні замінити леговані сталі, але ще і збільшують довговічність деталей у 2–3 рази при роботі у абразивних ґрунтах (що особливо важливо для зубців екскаваторних машин та ін. деталей).

Повна глобулярізація графіту при 6–9% Mg; 4–8% Ca; 45–55% Si; 1,0–1,5% Ce; 15–20% Cu (решта – залізо) давала зростання стійкості проти зношування.

При розгляді проблеми стабільно-половинчастих чавунів не можна обійти увагою технології зварювання і зміцнювального наплавлення.

Ф.І. Кісс і його німецькі колеги запропонували новий метод зварювання сталі і чавуну із використанням сталевих електродів у склад яких входить V, Nb, та Ti. При утворенні білого чавуну на границі наплавленого металу і зони термічного впливу він збіднюється вуглецем, але збагачується легуючими елементами і тоді його структура перетворюється на "інвертовану" – тріщини не виникають. Ця робота була продовжена в Ужгороді шляхом використання нікелевих електродів з V, Nb і Ti при введенні цих елементів без сплавлення з Ni безпосередньо у обмазку електродів.

Якщо покрити сталеву плиту шаром вуглецевих волокон і пропускати через них електричний струм (волокна електропровідні), то виникає явище швидкого контактного наплавлення (обернена евтектична реакція). Волокна з вуглецю добре змочуються рідкою сталлю, а враховуючи їх високі капілярні властивості, тканина ніби "всмоктує" розплав. Після припинення дії електричного імпульсу шар рідкого чавуну перетворюється у доевтектичний або евтектичний рідкий чавун, який і покриває сталь на глибину 0,5–2,0 мм (до 6 мм).

Високолегований білий чавун може розглядатись і як карбідний твердий сплав тому, що між цими двома сплавами немає принципової різниці. Дійсно, ванадієві білі чавуни за структурою схожі на надвисоковуглецеві сталі (“ultra high carbon steel" UHCS проф. О.Д.Шербі), що використовуються замість стандартних швидкорізальних сталей. У останні роки на основі цього розроблено ряд нових технологічних процесів, які дозволяють проводити не тільки металургійне зварювання (наприклад приварювання інструментальної пластини до основи різця або зварювання дротів), але і наплавлення. Один з них заснований на СВС. Над керамічною формою встановлюється вогнетривка реакційна камера, а між ними прокладається тонкий титановий лист. У реакційній камері розміщується суміш порошків Fe₂O₃, Cr₂O₃, WO₃, Al і C, яка підпалюється невеликою кількістю порошку Ti, запаленого у свою чергу звичайним сірником. Під час горіння проходять класичні термітні реакції відновлення Fe, Cr i W з їх оксидів доповнені іншими екзотермічними реакціями карбідоутворення. У зв'язку з додаванням теплових ефектів двох типів реакцій (металотермічної і СВС) адіабатична температура горіння такого комбінованого процесу сягає 3000⁰С, тому продукти реакції (в тому числі і тугоплавкі карбіди) являють собою рідку фазу, яка після відокремлення від рідкого шлаку, пропалює титановий лист і заливається у керамічну форму.

Висновки. Проведений аналіз сучасних технологій і матеріалів отриманих за їх допомогою дозволяє стверджувати, що матеріали типу білі чавуни, стабільно-половинчасті чавуни та інші мають значні перспективи для використання при застосуванні легування V, Nb, Ti. Крім цього спеціальні технології термічної обробки і пластичного деформування дозволяють досягти того ж ефекту. Саме такі новітні технологічні процеси можуть включати в себе реолиття, лиття у кокіль та видавлювання, рідку штамповку та лиття-кування (процес "autoforge") і служити у якості прототипу майбутніх комплексних технологій, що поєднують у собі декілька стадій гарячої обробки металу.