Спосіб модифікування електричним струмом конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей при кристалізації у ливарній формі

Реферат: Спосіб модифікування електричним струмом конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей при кристалізації у ливарній формі включає утворення ливарної форми із заформованими тугоплавкими електродами, заливання розплаву в неї, накладання на розплав імпульсного електричного струму під час кристалізації. Накладають струм змінної полярності з -3 тривалістю імпульсів більше 10 с, частотою 5-33 Гц, силою струму 30-40 А, сквапністю понад 5 меандрів, напругою у мережі 180-240 В. UA 121621 U (12) UA 121621 U UA 121621 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до металургії та ливарного виробництва і може бути використана для модифікування конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей. Відомий спосіб поліпшення якості литої сталі обробленням розплаву пульсуючим електричним струмом [Миненко Г. Н. Эффект влияния обработки пульсирующим электрическим полем на механические свойства литой стали.//Литье Украины- 2015. - № 2. - С. 5-1 Г]. Недоліком такого технічного рішення є те, що модифікування значною мірою відбувається завдяки введенню хімічних реагентів, а вплив електричних полів на основні механічні властивості є додатковою модифікуючою дією, ефект від чого не перевищує 3-5 %. Найбільш близьким до заявленого по суті та технічному результату, є "Спосіб модифікування литої структури металу" [Патент на винахід України № 97999], який прийнято за прототип. Спосіб здійснюється наступним чином. Формують піщано-глинисту форму з тугоплавкими електродами, через які пропускають 4 2 імпульсний електричний струм (щільність - 1,6-2,4 × 10 А/м , сквапність - понад 2 меандрів, частота - 57-12,5Гц) у процесі його знаходження в рідкому та твердо-рідкому стані і до закінчення кристалізації. Недоліком прототипу є те, що позитивний вплив електроімпульсної дії струму на макроструктуру доведено лише для алюмінієвих сплавів. Також у прототипі непередбачена можливість впливу електрообробки на мікроструктуру сталевого виливка, що твердіє. Зазначені у прототипі параметри обробки розплаву імпульсним електричним струмом є неприйнятними для модифікування конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей, оскільки не забезпечують подрібнення карбідів марганцю, а отже, не дозволяють створити умови покращення мікроструктури і отримання сталевих виливок з поліпшеними фізико-механічними властивостями. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу модифікування литої структури металу шляхом оброблення розплавів конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей імпульсним електричним струмом, що дозволить модифікувати макрота мікроструктури відповідних сплавів для підвищення їх механічних властивостей унаслідок зменшення фізичної, хімічної та структурної неоднорідності сплавів при литті в піщано-глинисті форми та по газифікованим моделям. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб модифікування електричним струмом конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей при кристалізації у ливарній формі реалізується наступним чином: утворюють ливарну форму із заформованими тугоплавкими електродами, заливають розплав в неї, накладають на розплав імпульсний електричний струм під час кристалізації, згідно з корисною моделлю змінної полярності тривалістю імпульсів -3 більше 10 с, частотою 5-33 Гц, силою 30-40А, сквапністю понад 5 меандрів, напругою у мережі 180-240 В під час кристалізації. Заявлена корисна модель представлена ілюстраціями, де на фігурі 1 показано мікроструктуру сталі 35ГЛ базового зразку; на фігурі 2 - мікроструктуру сталі 35ГЛ після модифікування елекроімпульсним струмом; на фігурі 3 показано мікроструктуру сталі 110Г13Л базового зразку; на фігурі 4 - мікроструктуру сталі 110Г13Л після модифікування елекроімпульсним струмом. Хімічна неоднорідність зменшується завдяки нейтралізації шкідливого впливу домішок (FeP, MnP, Fe3P, Мn3Р) унаслідок автоматичної зміни полярності електричного струму; структурна неоднорідність зменшується унаслідок зміни морфології: дезорієнтації та подрібнення карбідів марганцю; фізична неоднорідність знижується через зміни розташування та розмірів пор і неметалевих включень, що у сукупності призводить до суттєвого поліпшення межи міцності, ударної в'язкості та твердості. Змінна полярність позитивно впливає на зменшення хімічної неоднорідності завдяки відсутності електроперенесення хімічних елементів між анодом і катодом. Тривалість імпульсів -3 більше 10 с струму забезпечує покращення структурної однорідності унаслідок зменшення розмірів зерен фериту. Сила струму 30-40 А є оптимальною для процесу модифікування. Більші значення сили струму сприяють збільшенню розмірів зерен карбідів марганцю, струм менше 30А має незначний вплив на макро- і мікроструктуру зразків марганцевмісних сталей. Діапазон частоти струму 5-33 Гц є оптимальний, оскільки менша частота не забезпечує видалення неметалевих включень, а частота понад 33 Гц сприяє скупченню карбідів марганцю на границях зерен металевої основи. Сквапність, менша за 5 меандрів, не впливає на структуру та фізикомеханічні властивості досліджуваних зразків. Модифікування конструкційної сталі марки 35ГЛ та зносостійкої марганцевмісної сталі марки 110Г13Л під час кристалізації розплаву, згідно з даним способом, електроімпульсним струмом 1 UA 121621 U -3 5 10 змінної полярності тривалістю імпульсів більше 10 с, частотою 5-33 Гц, силою 30-40 А, сквапністю понад 5 меандрів при напрузі у мережі 180-240 В, забезпечує зменшення об'єму та протяжності тріщин, зниження вмісту газів, суттєве (у 1,4-2,5 рази) зменшення неметалевих домішок FeP, MnP, Fe3P, Mn3P, що у цілому, свідчить про значне поліпшення фізичної однорідності сплавів, модифікованих за даним способом, у порівнянні з базовими (немодифікованими) зразками (табл. 1). Мікроструктура базового зразка сталі 35ГЛ свідчить про наявність великих скупчень карбідів марганцю на границях зерен фериту (фіг. 1). У модифікованому за даним способом зразка розмір феритних зерен зменшується на 53 %, карбіди марганцю розташовані у центрі зерен (фіг. 2) і займають у 1,46 разу меншу площу (табл. 1). У модифікованих зразках сталі 110Г13Л (фіг. 4) розміри зерен зменшується на 60 % у в порівнянні з базовими зразками (фіг. 3), площа карбідів марганцю зменшується майже у 2,9 разу (табл. 1) Таблиця 1 Кількісний аналіз карбідної складової сталі. Марка сплаву Модифікування струмом 35ГЛ 110Г13Л 35ГЛ 110Г13Л 15 ні так Площа кристалів марганцю 2 мкм 11 14 7.5 4,8 Довжина кристалів марганцю 12 10,1 3,2 2,8 Розмір зерен Макрозерна, мм Мікрозерна, мкм 15 16,1 11 4,0 60 154 2К 93 Макро- та мікроструктурні перебудови в розплавах при їх модифікуванні за способом, що пропонується, забезпечують значне підвищення рівня фізико-механічних властивостей для загартованих зразків сталей 35ГЛ та 110Г13Л, перш за все, межі міцності (на 7 та 19 % відповідно) та ударної в'язкості (на 21 та 17 % відповідно), без зміни хімічного складу сплавів (табл. 2). 20 Таблиця 2 Фізико-механічні властивості сталей Модифікування струмом ні так 25 Марка сталі 35ГЛ 110Г13Л 35ГЛ 110Г13Л Межа міцності, МПа 503 553 540 659 Ударна в'язкість, кДж/м 243 190 296 223 2 Таким чином, запропонований спосіб дає можливість одержати раніше невідомий результат та новий технологічний ефект, який виражається у суттєвому покращенні структурної, хімічної та фізичної однорідності конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей, підвищенні межі міцності та ударної в'язкості сплавів без зміни їх хімічного складу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Спосіб модифікування електричним струмом конструкційних та зносостійких марганцевмісних сталей при кристалізації у ливарній формі, що включає утворення ливарної форми із заформованими тугоплавкими електродами, заливання розплаву в неї, накладання на розплав імпульсного електричного струму під час кристалізації, який відрізняється тим, що накладають -3 струм змінної полярності з тривалістю імпульсів більше 10 с, частотою 5-33 Гц, силою струму 30-40 А, сквапністю понад 5 меандрів, напругою у мережі 180-240 В. 2 UA 121621 U 3 UA 121621 U 4 UA 121621 U 5 UA 121621 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6