Спадковість в металевих литих матеріалах

Спадковість в металевих литих матеріалах

С.Є. Кондратюк, зав. відділу; О.С. Ніконоров, асп.

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України

Національний технічний університет України "КПІ

ВСТУП

Умови ринкової економіки вимагають від машинобудівних підприємств України впровадження передових технологій, що забезпечували б отримання виробів необхідної якості та мінімальної собівартості при найменшому забрудненні середовища без значних капіталовкладень.

Для вирішення такого завдання провідні машинобудівні підприємства все більше розширюють сфери та масштаби застосування литих виробів.

Адже виготовлення заготовок методом лиття є маловідходним технологічним процесом, при якому суттєво скорочується час виготовлення виробів; форма виливків максимально наближується до готової деталі; скорочуються енерговитрати виробництва і операції механічної обробки заготовок, результатом чого є зменшення собівартості готового виробу.

Проте, широко відомі вади литих деталей: транскристалізація, грубозерниста структура, ліквація, пористість та крихкість литого металу. Тому виникає необхідність у вдосконаленні існуючих та створенні нових технологій і методів лиття.

При цьому слід керуватися новітньою концепцією про створення „інтелектуальних” матеріалів, згідно з якою матеріал розглядається не тільки як речовина із заданим хімічним складом, а як інтегральне поняття, що об'єднує в собі речовину, конструкцію виробу та технологію його виробництва і обробки [1].

Такий підхід дозволяє різко підвищити економічний ефект від застосування нових технологій та матеріалів. При таких підходах до створення нових литих матеріалів потрібний рівень їх властивостей досягається не тільки відповідним хімічним складом та структурою, а також керуванням процесами кристалізації, структуроутворення і формоутворення виливків.

Так, в останні десятиліття з'явилися нові технології, в яких застосовуються високі швидкості охолодження розплаву, такі, як маловідходні технології кокільного лиття [2], застосування машин безперервного лиття, технологія FPC фірми Volvo Powertrain Foundry [3], де виливки отримуються в охолоджуваному облицьованому кокілі, застосування інтенсивного охолодження в піщано-глинистих формах [4], технології високошвидкісної спрямованої кристалізації при виготовленні деталей газотурбінних двигунів, методи сруминного формування заготівок [5], а також CSD - процес (Controlled Spray Deposition), або Оспрей-процес [6], гранульні технології лиття.

Впровадження таких технологій пов'язано з використанням явища спадковості в металевих матеріалах, яке почали більш широко вивчати лише на початку ХХ століття. Під спадковістю металів і сплавів розуміють збереження в них певних особливостей будови, структури або властивостей вихідного матеріалу після дії різних технологічних впливів, які зумовлюють відповідні фазові або структурні перетворення.

ПРОЯВИ СПАДКОВОСТІ В МЕТАЛЕВИХ МАТЕРІАЛАХ

Історичний аналіз даних літератури дозволяє прослідкувати появу і трансформацію поняття „спадковість” в металознавстві. Однак слід відзначити, що термін „спадковість” використовувався задовго до початку ХХ століття.

Давно було відзначено факт впливу характеристик вихідної шихти на якість металевих виробів.

Із середини ХХ століття дослідження з даної проблеми ведуться у двох напрямках:

1) дослідження процесу закладення, передачі та прояву спадковості в системі „шихта > розплав > виливок” та впливу будови розплавів на структуру та властивості литих виробів;

2) вивчення явища спадковості при фазових або структурних перетвореннях, тобто без переведення в рідкий стан та подальшої кристалізації металевих виробів.

Щодо першого напрямку, то в ХХ столітті з'ясовуються етапи, на яких відбувається закладення та передача генетичної інформації від шихти до виливка, та умови, за яких закладена структурна інформація найбільш ефективно проявляється в підвищенні властивостей та зберігається при таких технологічних операціях [7], [8].

Так, технологію отримання виливків можна поділити на п'ять етапів (рис. 1), на яких здійснюється формування та передача структурної інформації від шихти до виливка.

Структурну інформацію на етапі І вводять за допомогою спеціальних способів обробки та отримання шихти та лігатури. Характеристики, за допомогою яких можна реалізувати явище спадковості, - структура і хімічний склад шихти та (або) лігатури.

На етапі ІІ генетична інформація передається від шихти до розплаву. Максимальна ефективність цього процесу досягається за допомогою оптимальних режимів нагріву та плавки металу. В деяких технологіях шихту повністю не розплавляють, а доводять до твердорідкого стану (наприклад в технологіях реолиття).

Рисунок 1 - Структурна схема виробництва виливка

Етап ІІІ може складатися з рафінування, модифікування, а також температурно-часової обробки розплаву, тобто вплив відбувається хімічним способом або дією фізичних полів. Ці дії спрямовані на зниження вмісту або повне видалення шкідливих домішок та поліпшення і фіксування певної макро- та мікроструктури розплаву, що забезпечує необхідний рівень властивостей сплаву в твердому стані.

На етапі ІV проводять розливання металу у форми. На етапі V отримуємо виливок заданої форми та розмірів, причому швидкість кристалізації та інші параметри лиття суттєво впливають на якість та рівень властивостей литого виробу [9].

На основі такого аналізу створюються нові технології, пов'язані із спеціальними методами (методами генної інженерії металів і сплавів) впливу на структуру та властивості металевих матеріалів.

Так, технології, пов'язані із введенням структурної інформації на першому етапі виготовлення виливків, передбачають застосовування високих швидкостей охолодження розплаву при отриманні шихти; деформації, термообробки або легування шихти, а також використання дрібнокристалічних лігатур (ДКЛ), модифікаторів або переплавів (ДКП).

Введення структурної інформації на другому, третьому та четвертому етапах використовують технології комплексної обробки розплавів (оптимізація температурно-часових параметрів, рафінування та ін.) з максимальним урахуванням стану основних шихтових матеріалів та їх кількісного співвідношення, а також технології які застосовують методи зовнішнього впливу на рідкий та тверднучий метал (електрогідроімпульсна обробка, імпульсне вибухове навантаження [4] та ін.). До таких методів належать також технології реолиття.

Подальше дослідження явища спадковості в металевих матеріалах приводить до появи нових понять в цій галузі металознавства. У працях В.І. Нікітіна дається трактування ряду термінів, які пов'язані з явищем спадковості [3]: ген, генетика, генна інженерія в сплавах, спеціальні способи обробки шихтових матеріалів, технології генної інженерії.

Відмічається також, що характерний генетичний вплив на властивості сплавів після їх розплавлення та подальшої кристалізації здійснюють дефекти кристалічної будови, різного роду домішки та дисперсні інтерметалідні частинки--тобто вони виконують роль гена в металевих матеріалах (носіїв генетичної інформації).

Вирішальним механізмом реалізації спадковості структури є активізація зародкоутворення через зменшення величини критичного радіуса зародка та (або) наявність великої кількості центрів кристалізації [10].

Крім того, вважається, що при переході з твердого стану в рідкий, за звичайних умов, будь-якої істотної перебудови структур ближнього порядку розплаву не відбувається (наприклад для Al, Fe, Ni, Cu, Mg) через те, що коефіцієнти упаковки цих металів в рідкому стані достатньо великі, і тому здійснюється явище наслідування структури (за розмірами та морфологією) та дефектів кристалічної будови вихідної шихти.

Щодо другого напрямку, то численні праці багатьох
вчених присвячені явищу спадковості в твердому стані. Вивчають спадковість, яка проявляється: у поновленні зерна (Садовський В.Д., Счастлівцев В.М., Малишев К.А. та ін.) [11, 12] і збереженні границь вихідних зерен металів (Садовський В.Д., Гербих Н.М. та ін.) - структурна спадковість.

Також спадковість проявляється у ефекті пам'яті форми - відновленні заданої конфігурації металевого виробу при тепловому впливі (Курдюмов Г.В., Ліхачов В.А. [13]). Хаютін С.Г. та Шпичинецький Є.С. відзначають спадковість будови границь зерен [14], коли на місці границь зерен після їх міграції зберігаються дефекти будови та сегрегація домішок.

Єгоров Н.Т., Алімов В.І. ключову роль у спадковості металевих матеріалів віддають сукупності дефектної і атомно-кристалічної структури [15]. Із зменшенням розмірів елемента наслідування вірогідність спадковості зростає.

Тому, наприклад, сукупність типу “атомно-кристалічна структура + вакансія” повинна успадковуватися краще, ніж сукупність типу “атомно-кристалічна структура + дислокація”.

Бернштейн М.Л., Займовський В.А., Дьяченко С.С. та ін. розглядають спадковість у проявах передісторії металу [16, 17, 6]- фазова спадковість. До фазової спадковості відносять явище спадковості дефектів кристалічної будови (субструктури) під час поліморфного перетворення вихідної фази, що значно впливає на властивості продуктів перетворення.

Тобто фазова спадковість - це існування зв'язку між характером субструктури вихідної фази і властивостями матеріалу після фазової перекристалізації. Таку спадковість також називають спадковістю зміцнення. Наприклад, термомеханічна обробка (ТМО) є типовим процесом, що використовує фазову спадковість. Така обробка досить легко реалізується деформацією нагрітої до аустенітного стану сталі та швидкого охолодження, що не допускає проходження збиральної рекристалізації.

Під структурною спадковістю розуміють процеси відновлення вихідного аустенітного зерна за формою і розмірами після проходження г> б > г - перетворення. Це явище пояснюється теорією про орієнтоване виникнення зародків нової фази відносно вихідної [5].

Для практики цікавим є саме аномальний з точки зору структурної спадковості факт подрібнення аустенітного зерна за певних умов, серед яких основну роль віддають швидкості нагріву. Це пояснюється тим, що аустеніт, утворений за механізмом спадковості при нагріві (дуже швидкий або надто повільний нагрів), виявляється нестабільним в структурному відношенні і при подальшому підвищенні температури (або збільшенні тривалості витримки) піддається рекристалізації, зумовленої внутрішнім (фазовим) наклепуванням.

Відзначимо, що теорію структурної спадковості слід розглядати як творчий розвиток наукової спадщини Д.К. Чернова, який у своїх працях показав, що завершення фазового перетворення при нагріві сталі може не супроводжуватися подрібненням зерна. Подрібнення зерна аустеніту відбувається при більш високій температурі (в однофазній аустенітній області), яку Д.К. Чернов називає „точка b” [18]. Цю точку пов'язують з верхньою межею температурного інтервалу структурної перекристалізації.

ЕТАПИ ВВЕДЕННЯ СТРУКТУРНОЇ ІНФОРМАЦІЇ В МЕТАЛЕВИЙ ВИРІБ

Аналізуючи наведені різні види спадковості металів, можна запропонувати схему, що відображає етапи закладення структурної інформації в металевий виріб (рис.2).

На першому етапі проводять виплавку: шихтових матеріалів, що можуть спрямовуватися на переплавлення для ливарного виробництва (блюм, сляб, чушкова заготовка); виплавка блюма або сляба для їх подальшої прокатки або ковки; виробництво розплаву для подальшої його подачі на машину безперервного лиття. На даному етапі можуть проявлятися різні види спадковості: металургійна спадковість; технологічна спадковість; хімічна спадковість. Причому дані види спадковості можуть як позитивно, так і негативно впливати на якість металу. Негативний вплив можна корегувати (зменшити або зовсім ліквідувати) за рахунок таких технологічних операцій: лиття, термічна обробка, ковка. Але якщо метал іде на ковку (прокатку) чи безперервне розливання, отриману генетичну інформацію на першому етапі коригувати дуже важко.

Рисунок 2 - Етапи закладення структурної інформації у литий металевий виріб

Слід відзначити, що досить перспективним методом редагування негативної спадковості є використання ливарних технологій (другий етап), які безпосередньо можуть впливати на процеси передачі існуючої та закладення нової структурної інформації. На цьому етапі можуть реалізовуватися такі види спадковості: спадковість структури шихти; технологічна спадковість; спадковість при багаторазових переплавах.

Остаточне поліпшення якості металевих виробів можливе також за рахунок використання явища трансформації спадковості при фазових перетвореннях (третій етап). На третьому етапі розрізняють два види спадковості: структурна спадковість; фазова спадковість.

Слід відмітити, що кінцева структура і властивості литих виробів у значній мірі залежать від фазово-структурного складу, що формується після тверднення при подальшому охолодженні виливка [9]. Тому потрібно враховувати явище трансформації спадковості при фазових перетвореннях, також при охолодженні виливка у формі.

ВИСНОВКИ

На основі проведеного аналізу, зробленого в даній статті, можна зробити висновок, що явище спадковості в металевих матеріалах проявляється не в якихось поодиноких випадках, а масово, причому наслідуються як геометричні розміри, так і дефекти кристалічної будови, розмір зерна, зміцнення, характер субструктури.

Спадковість у металевих матеріалах проявляється на багатьох рівнях: у субмікро-, мікро- та макрооб'ємах. На субмікрорівні відбувається наслідування дефектів кристалічної структури, утворення фрагментованої структури (субструктури), передача спадкової інформації через хіміко-структуровані одиниці від шихтових металів через рідку фазу до литих виробів, спадкування аустенітом елементів субструктури б-фази, що спричиняє спадковість зміцнення. На мікрорівні здійснюється відновлення вихідного аустенітного зерна за формою і розмірами, наслідування розміру, форми та характеру розподілу включень, а також форми і розміру зерна вихідної шихти (лігатури, модифікаторів) литими виробами. На макрорівні проявляється ефект пам'яті форми.

Визначальну роль у спадковості металевих матеріалів віддають [9] сукупності дефектної і атомно-кристалічної структури. Із зменшенням розмірів елемента наслідування вірогідність спадковості зростає.

Спадковість має значний вплив на формування кінцевої структури, фізико-механічні і експлуатаційні властивості литих сплавів різного призначення.

Викликають особливий інтерес аспекти спадковості, які зумовлені технологічними операціями, такими, як ливарне виробництво, холодна і гаряча пластична деформація, термічна і хіміко-термічна обробка.

Щодо останньої, то спадковість спостерігається і у характері взаємодії деформованого і литого металу з газовими і рідкими середовищами. Так нами [19, 20] з'ясовано, що, змінюючи температурно-часові параметри кристалізації виливків, можна суттєво змінювати дисперсність вихідної первинної і вторинної литих структур, розмір зерна [21], регулювати характер та інтенсивність дифузійного насичення, довжину структурних зон дифузійного шару і, таким чином цілеспрямовано впливати на процеси хіміко-термічної обробки і властивості сталевих литих виробів.

Все це дозволяє розглядати спадковість у двох площинах: спадковість як явище і спадковість як галузь науки. В першому випадку спадковість -- це природна властивість металевих матеріалів, що забезпечує взаємозв'язок між їх хіміко-структурними ознаками та технологічними операціями обробки в різних стадіях (шихта > розплав > виливка > деталь).

У другому випадку спадковість може розглядатися як галузь науки про мінливість структури, що досліджує принципи зберігання, передачі і трансформації (реалізації) металогенетичної інформації протягом подальших технологічних операцій обробки і експлуатації металевих виробів.

Поглиблення досліджень у цьому напрямку і узагальнення знань щодо прояву спадковості має не лише теоретичне значення, але й практичне застосування в плані обґрунтованого керування формуванням структури і властивостями сплавів.

Список літератури

1. Прусаков Б.А. Проблемы материалов в ХХІ веке (обзор) // Металловедение и термическая обработка, 2001.- №1.- С. 3-5.

2. Кондратюк С.Е. Сокирко Л.А. КЛИТ-технология-резерв повышения свойств сталей. - Киев: Знание УССР, 1989. -С.19.

3. Foundryman 2002. - V.95. № 6.- Р. 283; 286-288.

4. Кузнецов Ю.Н. Малоотходные технологии изготовления деталей вращения // Мир техники и технологии. - 2002. -№ 9. - С.52-54.

5. Ульшин В.І., Тихомиров С.В. Нові технології підвищення якості порошкових інструментальних сталей // Металознавство та обробка металів.- 2003.-№ 3. - С. 33-36.

6. Atomization of melts // Metallurgy.-1996.-№. -Р. 163.

7. Никитин В.И. К истории развития проблемы наследственности в сплавах // Литейное производство.- 2000.-№ 5. - С. 20-22.

8. Андрушевич А.А. Управление литой структурой алюминиевых сплавов при импульсной обработке // Литейное производство.- 2001.-№ 5. - С. 12-14.

9. Кондратюк С.Є. Вторинна структура у виливках вуглецевих сталей // Металознавство та обробка металів. - 2002.-№1-2.- С.38-43.

10. Кондратюк С.Е., Щеглов В.М., Приймак И.Н., Стоянова Е.Н. Кристаллизация и структурообразование переохлаждённой стали // Процессы литья. - 2002.- №2.- С. 45-50.

11. Садовский В.Д., Малышев К.А., Сазонов Б.Г. Превращения при нагреве стали. М.-Свердловск: Металлургиздат, 1954.- 184 с.

12. Баранов А.А., Алимов В.И. Наследственность, структура и свойства проката и поковок при термомеханическом воздействии // Мат. докладов конф. «К 90-летию академика Стародубова К.Ф.». - Днепропетровск, 1994.

13. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы.-Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987. -216 с.

14. Хаютин С.Г., Шпичинецкий Е.С. К вопросу о наследственности строения границ зерен // Изв. АНСССР «Металлы».- 1968.-№ 2. - С. 165-166.

15. Егоров Н.Т., Алимов В.И. Наследственность и аустенитизация низколегированных сталей // Металл и литье Украины. - 2001.- №3.

16. Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Козлова А.Г., Колупаева Т.Л. Наследование дефектов решетки при б>г превращении в сталях не испытывающих "обратного" (мартенситного) перехода в процессе аустенизации // ФММ.- 1979. - Т.47.- № 2. - С.349-356.

17. Дьяченко С.С. Наследственность при фазовых превращениях: механизм явления и влияние на свойства // Металловедение и термическая обработка. - 2000. - №4. - С.14-19.

18. Чернов Д.К. Избранные труды по металлургии и металловедению. - М.: Наука.- 1983.- 448 с.

19. Кондратюк С.Є., Стоянова О.М., Ніконоров О.С. Спадковість і структура литих цементованих сталей // Металознавство та обробка металів. - 2001.-№4. - С.58-64.

20. Ніконоров О.С. Вплив литої структури на формування азотованого шару конструкційних сталей // Металознавство та обробка металів. - 2003.-№1.

21. Кондратюк С.Є., Ніконоров О.С. Спадковість зеренної структури литої сталі // Металознавство та обробка металів. - 2004.-№1. - С.3-7.