Для получения точных отливок из химически активных расплавов традиционно используют специальный способ точного литья по удаляемым моделям, состоящий в изготовлении керамических форм на этилсиликатном связующем и дальнейшей заливке расплавом в вакууме. Вместе с тем при формировании отливок ответственного назначения заливкой титановых и жаропрочных никелевых сплавов в вакууме действующая технология вызывает высокий брак из-за выявления различных поверхностных дефектов литья, которые недопустимы при работе деталей в условиях действия многократно повторяющихся перепадов температур и знакопеременных механических нагрузок. Анализ показал, что основной причиной указанной дефектности является отсутствие термохимической устойчивости керамических корундовых форм на этилсиликатном связующем к взаимодействию с заливаемыми титановыми и жаропрочными никелевыми сплавами в вакууме. Возможность получения качественных отливок из химически активных сплавов сводится к использованию в качестве связующего керамических форм материалов, обладающих устойчивостью к термической диссоциации в вакууме при температурах нагрева 1913-1973 К. Для этого предложено использовать бескремнеземное связующее - водный раствор алюмоборфосфатного концентрата. Состав формы, изготовленной по предлагаемой технологии, в которой отсутствует кремнезем, исключил вредное влияние процессов окисления в вакууме на качество отливок из химически активных сплавов. Керамические электрокорундовые формы на алюмоборфосфатном концентрате обладают устойчивостью к термической диссоциации и взаимодействию с заливаемыми в вакууме химически активными металлами. Это позволит снизить дефектность по неметаллическим включениям и повысить качество точных отливок из титановых и жаропрочных никелевых сплавов.
Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия
2022. — Выпуск 2
Содержание:
Нержавеющие супермартенситные стали обладают уникальным комплексом химических и механических свойств, благодаря чему трубные изделия из них нашли свое применение в нефте- и газодобывающей промышленности. Однако такие стали склонны к появлению в их структуре полосчатости. Полосчатая структура является причиной анизотропии свойств эксплуатируемых изделий и, кроме того, способна привести к разрушению полуфабрикатов на этапе их производства. В работе исследована сталь супермартенситного класса 10Х13Н3МФБ на склонность к образованию в структуре дефекта «полосчатость». Для этого проведены термодинамические расчёты и математическое моделирование с помощью программного обеспечения Thermo-Calc-3.01. Применялись следующие функции программы: расчёт фазовых равновесий для среднего химического состава, а также для составов с максимумом аустенитообразующих при минимуме ферритообразующих элементов и с максимумом ферритообразующих при минимуме аустенитообразующих элементов. Анализ построенных термодинамических равновесий показал, что сталь 10Х13Н3МФБ имеет склонность к формированию полосчатой структуры. Для снижения вероятности появления полосчатости необходимо проводить кристаллизацию и горячую прокатку стали только в однофазных состояниях (δ-феррита и аустенита соответственно). Поэтому дальнейшие расчеты в Thermo-Calc были направлены на определение химического состава стали, при котором сплав кристаллизуется в однофазной δ-области, и установление температурного интервала горячей деформации. После анализа полученных данных предложен оптимальный химический состав стали и определены температурные интервалы горячей прокатки для среднего химического состава с различным содержанием Ni - 2, 3, 4 мас. %.
Ключевые слова
В работе разработаны модели, описывающие кинетику двух важнейших диффузионных превращений - выделения вторичных карбидов (Cr, Fe)7C3 из аустенита и перлитного распада - в высокохромистых сплавах железа при непрерывном охлаждении. Для анализа были использованы литературные экспериментальные данные для ряда сплавов разного состава. С использованием ранее разработанных моделей был определён химический состав аустенита к моменту окончания выдержки при аустенитизации, а затем на основании общего выражения, следующего из кинетической теории фазовых превращений, найден конкретный вид уравнения, описывающего изотермическое выделение карбидов из переохлаждённого аустенита. Оказалось, что показатель степени времени n в нём составляет 3/2, что соответствует преимущественному выделению очень дисперсных частиц карбидов. Для перехода к условиям непрерывного охлаждения С-образная кривая изотермического выделения карбидов была приближённо заменена квадратичной параболой. Это позволило при помощи интеграла Шейля - Штейнберга найти связь скорости охлаждения с количеством выделившейся карбидной фазы. Последующее сравнение с наблюдавшимся в эксперименте повышением мартенситной точки позволило определить численные параметры модели и их зависимость от состава карбида в конкретном сплаве. Для перлитного превращения была использована ранее разработанная модель, описывающая параметры температурной зависимости коэффициентов уравнения Аврами в рассматриваемых сплавах от состава аустенита; обобщение на случай непрерывного охлаждения проводилось тем же способом. В результате удалось рассчитать термокинетические диаграммы превращений аустенита в высокохромистых сплавах, в целом хорошо соответствующие экспериментальным.
Ключевые слова
В работе исследовано влияние параметров электролиза на состав и структуру цинк-никелевых покрытий при электроосаждении их на медную подложку из слабокислого хлоридного электролита с соотношением Zn(II)/Ni(II), равным 1. Химический состав электролитов контролировался методом комплексонометрического титрования. Исследование фазового состава проводили с помощью рентгеновского дифрактометра Rigaku Ultima IV. Валовый состав определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6460LV с компьютерным контролем. Установлено, что увеличение плотности тока повышает скорость осаждения сплава. Показано, что повышение температуры приводит к возрастанию доли никеля в сплаве, увеличению скорости осаждения никеля. На скорость осаждения цинка повышение температуры не влияет. При этом при температуре ниже 60 °С осаждение сплава носит аномальный характер, при более высоких температурах характер осаждения становится нормальным. Определена открытая и общая пористость покрытия, установлено, что открытая пористость отсутствует, общая пористость составляет около 50 %.
Ключевые слова
Химико-термическая обработка (ХТО) конструкционных деталей, работающих в условиях износа, трения, ударных нагрузок, позволяет получить уникальную комбинацию свойств поверхности и сердцевины изделия. Однако такие традиционные способы ХТО, как цементация и азотирование, способствуя улучшению механических характеристик поверхности, подходят не для всех видов сталей. Более эффективными с точки зрения достигаемого комплекса свойств являются методы диффузионной металлизации, в частности - термодиффузионное хромирование. В настоящее время хромирование проводится как путем насыщения металла одним элементом - хромом, так и многоэлементными смесями. В статье описана технология термодиффузионного насыщения стали 35Х2Н3 хромом и вольфрамом при температуре 1000 °С. Приводится методика анализа полученного покрытия, основанная на возможностях рентгеноспектрального микроанализа (РСМ) диффузионного слоя на поперечных микрошлифах полученных образцов. Контроль элементного состава диффузионного слоя проводили на универсальном сканирующем (растровом) электронном микроскопе JEOL JSM-6460 LV. Исследование микроструктуры осуществлялось на оптическом металлографическом микроскопе Axio Observer D1.m. Рентгенофазовый анализ проводился на диффрактометре Rigaku Ultima IV. Измерение твердости проводилось на микротвердомере FM-800 при нагрузке 100 г. Получены данные о качественном и количественном распределении хрома и вольфрама в поверхностном слое стали. Показано, что формирующееся термодиффузионное покрытие состоит из твёрдого раствора замещения на основе Cr-Fe с ОЦК-решеткой, карбидов хрома и вольфрама. Глубина внешнего покрытия на образце составила порядка 20 мкм, глубина диффузионного слоя в основном металле - 50-55 мкм. Отмечено отсутствие обезуглероженного участка в поверхностном слое основного металла. Определены средние коэффициенты диффузии хрома: в α-фазе хрома составил DCr = 3,58•10-13 м2/с; в γ-фазе железа - DCr = 2,83•10-15 м2/с. Микротвердость внешнего поверхностного слоя составила 1800-2000 HV, диффузионного слоя в основном металле - 1300-550 HV, основного металла - порядка 540-510 HV.
Ключевые слова
Известные способы химико-термической обработки конструкционных деталей, таких как цементация, азотирование, технологии диффузионной металлизации, позволяют получить уникальную комбинацию свойств поверхности и сердцевины изделия. Положительный опыт использования способов многоэлементного диффузионного насыщения открывает перспективы для разработки способов комплексного насыщения. В статье описаны особенности термодиффузионного насыщения стали 35Х2Н3 хромом и молибденом при температуре 1000 °С. Приводится методика анализа полученного покрытия, основанная на возможностях рентгеноспектрального микроанализа (РСМ) диффузионного слоя на поперечных микрошлифах полученных образцов. Контроль элементного состава диффузионного слоя проводили на универсальном сканирующем (растровом) электронном микроскопе JEOL JSM-6460 LV. Исследование микроструктуры осуществлялось на оптическом металлографическом микроскопе Axio Observer D1.m. Рентгенофазовый анализ проводился на диффрактометре Rigaku Ultima IV. Измерение твердости проводилось на микротвердомере FM-800 при нагрузке 100 г. Получены данные о качественном и количественном распределении хрома и молибдена в поверхностном слое стали. Показано, что формирующееся термодиффузионное покрытие состоит преимущественно из твёрдого раствора замещения на основе Cr-Fe-Mo с ОЦК-решеткой и карбидов хрома и молибдена. Глубина внешнего покрытия на образце составила порядка 20 мкм, глубина диффузионного слоя в основном металле - порядка 25 мкм. Отмечено отсутствие обезуглероженного участка в поверхностном слое основного металла. Определены средние коэффициенты диффузии хрома и молибдена: в α-фазе хрома DCr = 6,6•10-15 м2/с и DMo = 4,35•10-16 м2/с соответственно; в γ-фазе железа DCr = 2,95•10-15 м2/с, DMo = 2,48•10-16 м2/с соответственно. Микротвердость внешнего поверхностного слоя составила 1400-1980 HV, диффузионного слоя в основном металле - 1000-600 HV, основного металла - порядка 540-510 HV.
Ключевые слова
На металлургических производствах используются дорогостоящие инструменты, которые часто обладают сложной геометрией. Работоспособность таких инструментов напрямую влияет на экономические показатели производства. Одним из таких инструментов является сегмент экспандера. Данный инструмент используется в процессе калибровки труб большого диаметра, полученных по схемам JCOE, UOE, RB-формовка. Процесс экспандирования является последним этапом формообразования, заключающийся в поэтапной деформации трубной заготовки с помощью сегментов, которые обладают определенным набором механических и геометрических свойств. На каждом этапе сегменты придают округлую форму трубе, исправляя прямые участки, овальность и другие геометрические неровности заготовки. Основная нагрузка процесса приходится на сегменты экспандера. В данной работе исследуется износ сегментов в процессе экспандирования (калибровки) электросварных труб большого диаметра. Для предсказания износа были построены CAE-модели процесса экспандирования в специализированном программном комплексе MSC-Software, с помощью которых производился анализ возможного износа, его величина, положение и характер. Предложена методика оценки износа сегментов экспандера с помощью 3D-сканирования, оцифровки полученных данных и построения 3D-карты отклонений от эталонной модели. Анализ конечно-элементного моделирования и экспериментальных исследований показал, что CAE-модели с высокой сходимостью предсказывают зоны и особенности распределения износа сегментов экспандера. Показано, что моделирование с высокой степенью достоверности можно использовать для оценки работоспособности инструментов как новых, так и уже эксплуатируемых. На основе экспериментальных данных было получено уравнение для определения износа сегментов экспандера. По полученному уравнению построена номограмма, позволяющая прогнозировать износ сегментов экспандера в зависимости от напряжений, возникающих в инструменте при калибровке, и количества обработанных труб. Оценка и учет износа рабочей поверхности сегментов экспандера позволяет прогнозировать отклонения геометрических параметров труб в процессе экспандирования.
Ключевые слова
Важнейшей задачей повышения эффективности производства труб является задача улучшения качества производимой продукции. Дальнейшее развитие и совершенствование технологии производства труб связаны с изучением условий контактного взаимодействия в паре «инструмент - деформируемый металл», в частности с созданием разделительного слоя. Применение современных смазочно-дезоксидирующих материалов (далее СДМ) и современного оборудования для их нанесения позволяет добиться гарантированного разделения контактных поверхностей. Также создание разделительного слоя позволяет получить значительное преимущество с точки зрения повышения качества готовых труб, эксплуатационной надёжности готовой продукции, снижения стоимости производства и интенсификации процессов деформирования. Однако неравномерное распределение СДМ по внутренней поверхности гильзы приводит к снижению качества внутренней поверхности готовых труб, а также к неравномерному износу оправок непрерывных станов. Одной из причин отсутствия гарантированного разделения контактных поверхностей является несоответствие выдуваемой порции СДМ заданному значению. В статье приведено описание принципа работы стандартных циклонов и произведен расчет стандартной конструкции циклона. Приведены результаты компьютерного моделирования работы циклона стандартной конструкции и модернизированного. Также представлены результаты физических экспериментов по улавливанию частиц.
Ключевые слова
Опытная информация о реологических свойствах материалов, используемых при изготовлении абразивной смеси для последующей технологии изготовления заготовок кругов методами прокатки, прессования и вырубки, позволила классифицировать смесь как гетерогенную уплотняемую упруговязкую, характеризующуюся деформационным и скоростным упрочнением, значительной долей упругой деформации, явлениями упругого последействия и релаксации. Это в свою очередь позволило подойти к выводу определяющего физического уравнения. Вывод определяющего физического уравнения во всей полноте входящих в него параметров представляет непростую задачу. Вместе с тем создание точной теории физических уравнений является одной из главных проблем. Существуют различные подходы к конструированию определяющих физических уравнений. Некоторые из них претендуют на глубокое изучение сути явлений, приводят к достаточно сложным определяющим физическим уравнениям и трудны для использования в прикладных задачах. В статье предложен вариант конструирования определяющего физического уравнения, в основе которого лежат пластометрические кривые, аппроксимация их полиномами, пошаговая процедура обработки опытных данных, выбор механического аналога и вывод физического уравнения в дифференциальном виде для малого времени интервала, определение констант физического уравнения методом наименьших квадратов и в итоге - получение зависимости модуля упругости и коэффициента вязкости от условий деформации. Наличие определяющего физического уравнения позволяет перейти к решению прикладных задач.
Ключевые слова
Введение. Рассматривается задача обеспечения идентичности траекторий нагрева верхней и нижней половин сляба (симметричности нагрева сляба) при существенно различных численных значениях параметров внешнего теплообмена для его верхней и нижней поверхностей. Обуславливается это, в частности, неудовлетворительной тепловой изоляцией подовых труб. Цель исследования. Разработать алгоритм расчета, необходимого для симметричности соотношения уставок (заданий) регуляторам температуры рабочего пространства верхних и нижних нагревательных зон методических печей. Материалы и методы. Выполнен анализ и обобщение литературных данных по проблеме. Предложено математическое описание несимметричного нагрева, поставлена и решена задача оптимизации. Результаты. Варианты алгоритма предусматривают возможность описания внешнего и внутреннего теплообмена как в линеаризованной, так и в исходной нелинейной формах. Для случая представления процесса нагрева полностью линеаризованным уравнением теплопроводности с конвективной формой внешнего теплообмена искомый результат представляется аналитической формулой. Это, как известно, позволяет прослеживать влияние исходных параметров процесса на оптимальное соотношение уставок. Численным исследованием показано, что соблюдение вычисленного соотношения уставок обеспечивает при собственно несимметричном нагреве (неравенстве коэффициентов внешнего теплообмена) удовлетворительное совпадение траекторий среднемассовой температуры верхней и нижней половин сляба. Предложен также и упрощенный вариант решения рассматриваемой задачи, когда динамика среднемассовых температур верхней и нижней половин сляба изначально описывается обыкновенным дифференциальным уравнением первого порядка, полученным из уравнения теплопроводности посредством интегрального усреднения температуры по толщине сляба. Упрощенный вариант также обеспечивает, как правило, практически приемлемую близость траекторий нагрева верхней и нижней половин сляба и отличается еще большей «прозрачностью» относительно того, как исходные данные влияют на искомый результат. Заключение. Использование оптимального соотношения уставок позволяет, например, при решении задач оптимального управления процессом в два раза уменьшить размерность искомого вектора управления, что весьма существенно при разработке алгоритмического обеспечения АСУ ТП нагревательных печей.