Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010
Подождите немного. Документ загружается.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
540
Таблица 4.Оценка результатов максимального энергетического произведения (ВН)
макс.
порошковых магнитов сплава 22Х15КА
Номер
опыта
Полученные экспериментальные
значения
Предсказанные уравнением регрессии (1)
значения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7,5
4,2
37,8
33,9
25,7
19,5
33,8
31,5
32,9
38,3
4,9
8,4
37,8
28,8
27,6
20,8
30,3
30,5
37,7
37,8
Подтверждением удовлетворительной адекватности предлагаемых моделей служат сечения
поверхностей отклика магнитных гистерезисных свойств, которые приведены на рис. 2.
1,4
1
0,6
0,2
-0,2
-0,6
-1
1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450
Т-ра
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Время спек.
45
40
35
30
25
20
15
1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450
Т-ра
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Время спек.
а б
20
0
-20
-40
1350 1360 1370 1380 1390 1400 1410 1420 1430 1440 1450
Т-ра
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Время спек.
в
Рис. 2. Сечения поверхностей отклика остаточной индукции B
r
(а), коэрцитивной силы Н
сВ
(б)
и максимального энергетического произведения (ВН)
макс.
(в).
Из данных рис. 2 видно, что оптимальным режимом спекания порошковых магнитов сплава
22Х15КА является режим спекания при температуре 1405 – 1415
0
С в течение 2,5 – 3 часов, т. е.
выбранный режим спекания в качестве нулевого уровня очень близок к оптимальному.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
541
Полученные поверхности второго порядка, описываемые квадратичными уравнениями (1) – (3),
свидетельствуют, что существенного повышения магнитных гистерезисных свойств, по
сравнению с полученными, ожидать маловероятно.
В таблицах 5 и 6 приведены магнитные гистерезисные свойства порошковых магнитов
сплава 22Х15КА, легированных кремнием и молибденом соответственно.
Таблица 5.
масс. % Si B
r
Тл Н
сВ
кА/м (ВН)
макс.
кДж/м
3
0,5
1,0
2,0
1,35
1,42
1,34
46,6
45,5
44,3
39,9
44,5
39,4
Таблица 6.
масс. % Мо B
r
Тл Н
сВ
кА/м (ВН)
макс.
кДж/м
3
1,0
2,0
3,0
1,38
1,39
1,36
43,9
42,7
43,4
40,5
36,7
34,0
Данные таблиц 5 и 6 показывают, что кремний в количестве 1 масс. % не только повышает
остаточную индукцию, но, самое главное, повышает выпуклость кривой размагничивания и таким
образом повышает (ВН)
макс.
до 44 кДж/м
3
(5,5 МГс·Э). Введение молибдена в сплав 22Х15КА, по-
видимому, целесообразно в количестве до 1 масс. %. Однако заметного влияния молибдена на
коэрцитивную силу сплава 22Х15КА даже при его содержании до 3 масс. %. не обнаружено. Но
следует учитывать, что введении молибдена режим стандартной термообработки не изменялся и
при возможной её корректировке рост Н
сВ
может быть обнаружен.
4. Выводы.
1.
Методами порошковой металлургии получены из элементарных порошков постоянные
магниты сплава 22Х15КА плотностью 95-96 % с максимальным энергетическим
произведением (ВН)
макс.
= 38 кДжм
3
при остаточной индукции B
r
= 1,38 Тл (13800 Гс),
коэрцитивной силе Н
сВ
= 46 кА/м (580 Э).
2.
Определён оптимальный режим спекания компактированных прессовок порошковых
постоянных магнитов сплава 22Х15КА: спекание в вакууме при 1405 – 1415
0
С в течение 2,5 –
3 часов.
3. Легирование сплава 22Х15КА 1 масс. % Si увеличивает выпуклость кривой размагничивания
и повышает (ВН)
макс.
до 44 кДж/м
3
(5,5 МГс·Э).
Работа поддержана грантом РФФИ № 10-08-00660.
Литература.
1. Green M.L., Scherwood R.C. and Wong C.C. “Powder metallurgy proceeding of CrCoFe
permanent magnet alloys containing 5-25 wt. %Co”. Journal of Applied Physics, 1982, 53, No 3,
p. 2398-2400.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
542
2.
Ряпосов И.В., Шацов А.А. «Особенности легирования, структура и свойства порошкового
магнитотвёрдого сплава с повышенными эксплуатационными характеристиками».
Перспективные материалы, 2009, №1, стр. 57-61.
3. United States Patent 4,401,482, Green M.L., Scherwood R.C. “Fe-Cr-Co magnets by powder
metallurgy processing”, Int. Cl. H01F 1/02, U.S.Cl. 148/104, aug. 30, 1983.
4.
Налимов В.В., Чернова Н.А. «Статистические методы планирования экстремальных
экспериментов». Москва, «Наука», 1965, 340 стр.
5. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. «Статистический анализ данных на компьютере». Москва,
«ИНФРА-М», 1998, 528 стр.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
543
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ МЕДЬЮ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА
Перкас М.М., Шелест А.Е., Юсупов В.С.
Россия, Учреждение Российской академии наук
Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН
shelest99@mail.ru
Основной тенденцией формирования марочного сортамента автомобильных сталей
является обеспечение снижения массы автомобиля, прежде всего, за счет повышения прочностных
характеристик его несущих элементов. Эта тенденция может осуществляться в рамках двух
стратегий – краткосрочной и долгосрочной. Объектами первой из них являются либо известные
марки автомобильных сталей, характеристики которых улучшаются, в том числе за счет
дополнительного легирования, либо известные высокопрочные стали, приспосабливаемые к
условиям автомобилестроения. Примерами таких материалов могут служить IF-стали повышенной
прочности; TRIP-стали; стали мартенситного класса.
Целью «долгосрочной» стратегии является разработка принципиально новых сталей для
автомобилестроения.
На наш взгляд, учитывая существенный моральный и физический износ основных фондов
отечественной черной металлургии, наиболее приемлемым подходом представляется
дополнительное легирование существующих групп сталей с целью повышения их прочностных
свойств.
В свете задач настоящей работы особый интерес представляют упомянутые в рамках
краткосрочной стратегии IF-стали с медью (Cu-IF).
В середине 90-х годов прошлого столетия появились первые работы по Cu-IF сталям [1, 2].
Причиной появившегося интереса к легированию IF сталей медью явились: ожидаемое и так
необходимое для IF-сталей повышение прочности и коррозионной стойкости и возможность
получения их с использованием скрапа. Однако эти и другие работы содержат очень мало
фактической информации по влиянию меди на механические свойства и характер деформации
таких материалов.
Целью настоящей работы является исследование влияния добавок меди на механические
свойства сверхнизкоуглеродистой и IF-стали.
Выплавка модельных материалов.
В качестве основы модельного материала для изучения влияния легирования медью на
механические свойства сверхнизкоуглеродистой стали было выбрано армко-железо (далее Fe).
Слитки модельного материала массой 400 г и содержанием меди 0; 0,2; 1,0 и 2,0 масс. % получали
в индукционной лабораторной плавильной печи с обдувом зеркала ванны аргоном. Технология
выплавки выглядела следующим образом. Исходную шихту в виде дисков армко-железа 20х2 мм
загружали в теплоизолированный керамический тигель, постепенно доводили до полного
расплавления при мощности 50-55 кВт в течение 40 мин., выдерживали 5 мин. и добавляли в
расплав требуемое количество меди в виде проволоки. После 5-минутного перемешивания и
подъёма температуры на 30-50
0
С (I
ан
=1,8-2 А, I
сетки
=2,3-2,5 А, U=6-6,4 кВ) расплав разливали в
массивную стальную цилиндрическую разъёмную изложницу, предварительно подогретую до 100
0
С. На рис.1 показан внешний вид полученных слитков. В таблице 1 приведены массогабаритные
характеристики полученных слитков.
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
544
Таблица 1Массогабаритные характеристики слитков
№
образца
состав
длина, мм
диаметр, мм
масса, г
(после
обрези)
глубина
раковины,
мм
0 Fe 53 18,0 115 5
02 Fe-0,2 мас. % Cu 140 18,0 293 11
1 Fe-1,0 мас.% Cu 125 18,0 275 13
2 Fe-2,0 мас. % Cu 93 18,0 203 28
0 0,2 1,0 2,0
Рис. 1. Внешний вид слитков (числами указано содержание меди, масс.%)
20 мм
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
545
Горячая прокатка.
После удаления прибыльной части слитки подвергали горячей прокатке на стане «дуо 320»
в системе вытяжных калибров «квадрат-квадрат» и на гладкой бочке в три этапа с
промежуточными подогревами.
1-й этап
- нагрев литых заготовок в силитовой печи при температуре 1150
0
С в течение 18-30 мин.;
- прокатка в 1-м калибре за 4 прохода с кантовками и зазорами между валками
соответственно 5,0; 3,0; 2,0 и 1,5 мм;
- прокатка во 2-м калибре за 1 проход с зазором 1,0 мм;
-
прокатка в 3-м калибре за 2 прохода с кантовкой и зазором 1,0 мм;
- температура конца прокатки 800-820
0
С;
- сечение прутков после 1-го этапа 12,1х12,2 мм.
В процессе прокатки происходило отслаивание толстой окалины.
2-й этап
-
подогрев до 1150
0
С и выдержка 10-16 мин.;
- прокатка на гладкой бочке за 4 прохода до толщины 5 мм (обжатия по проходам
соответственно порядка 17,0; 20,0; 25,0 и 20 %);
- температура конца прокатки 780-800
0
С;
- сечение полос после 2-го этапа (5,2-6,0)х18,2 мм.
После прокатки на кромках полос № 1 и № 2 наблюдали небольшие трещины.
3-й этап
- подогрев до 1150
0
С и выдержка 8-13 мин.;
- прокатка на гладкой бочке за 3 прохода до толщины 3 мм (обжатия по проходам
соответственно порядка 20,0; 25,0 и 30 %);
- температура конца прокатки 750-780
0
С;
-
сечение полос после 3-го этапа (2,8-3,0)х(20,0-21,0) мм.
На кромках готовых полос № 02; № 1 и № 2 наблюдали трещины глубиной до 2-3 мм.
В таблице 2 приведены массогабаритные характеристики полученных горячей прокаткой
полос.
Таблица 2
Массогабаритные характеристики полос после горячей прокатки
№
образца
состав
толщина,
мм
ширина, мм
длина,
мм
масса, г
массовые
потери на
окалину, %
0 Fe 2,8 21,0 235,0 105 8,7
02 Fe-0,2 мас. % Cu 3,0 21,0 515,0 244 16,7
1 Fe-1,0 мас. % Cu 3,0 20,0 530,0 247 10,2
2 Fe-2,0 мас. % Cu 3,0 21,0 395,0 181 10,8
На рис. 2 показан внешний вид полос поле горячей прокатки. На поверхностях полос видны
следы от окалины, отвалившейся в процессе горячей прокатки. На кромках полос № 1; № 2 и в
меньшей степени № 02 ясно видны трещины (рис. 3)
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
546
Рис.2. Внешний вид полос после горячей прокатки (числами указано содержание меди)
2,0
1,0
0,2
0
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
547
Рис. 3. Кромки полос после горячей прокатки (числами указано содержание меди)
2,0
1,0
0,2
0
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
548
Холодная прокатка
Для удаления остатков окалины и выявления скрытых дефектов горячекатаные
полосы подвергли пескоструйной обработке. На рис. 4 показан внешний вид полос после
пескоструйной обработки. Далее полосы подвергались сплошной абразивной зачистке для
удаления дефектов, что привело к уменьшению ширины полос на 1,5-2,5 мм. Холодную
прокатку полос проводили на стане кварто 110/320х320 в 2 этапа. 1-ый этап – прокатка
полос с чередованием направлений (вдоль и поперёк направления горячей прокатки) для
обеспечения ширины проката не менее 20 мм, позволяющей изготовить из него плоские
образцы для испытаний на растяжение по ГОСТ 1170-84 (ширина рабочей части 12,5 мм,
расчетная длина 70 мм). 2-ой этап – продольная прокатка для получения требуемой
толщины 0,7 мм. Эта толщина близка к средней толщине автомобильного листа,
производимого, в частности, на ЧерМК ОАО «Северсталь».
В процессе холодной прокатки на кромках некоторых полос образовывались
трещины, которые выводились снятием металла кромок на абразивном круге. Ниже
приводятся основные особенности прокатки каждого из сплавов.
Полосы из сплава 0. 1-ый этап – до толщины 1,7 мм и ширины 24,5 мм. 2-ой этап –
до толщины 0,7 мм.
Полосы из сплава 02. 1-ый этап – до толщины 1,5 мм и ширины 23,5мм. 2-ой этап –
до толщины 0,7 мм. На 1-ом этапе трещины образовались на толщинах 2,4 и 1,8 мм, а на 2-ом
этапе – на толщине 1,35 мм. Суммарные деформации при этом составляли 18,6 %, 39,0 % и
54,2 %.
Полосы из сплава 1. 1-ый этап – до толщины 1,6 мм и ширины 23,0 мм. 2-ой этап –
до толщины 0,7 мм. На 1-ом этапе трещины образовались на толщине 1,9 мм, а на 2-ом этапе
– на толщине 1,4 мм. Суммарные деформации при этом составляли 24,0 % и 44,2 %.
Полосы из сплава 2. 1-ый этап – до толщины 1,5 мм и ширины 21,0 мм. 2-ой этап –
до толщины 0,7 мм. На 1-ом этапе трещины образовались на толщинах 2,3 мм, 2,0 мм, 1,7 мм
и 1,5 мм. Суммарные деформации при этом составляли 8,0 %, 20, %, 32,0 и 40 %. Размеры
готовых полос после холодной прокатки приведены в таблице 3.
Таблица 3
Размеры полос после холодной прокатки
№№ полос толщина, мм ширина, мм длина, мм
0
0,7 22,5 170
0,7 28,3 180
0,7 24,7 200
0,3 24,8 400
02
0,6 24,0 195
0,7 25,7 205
1
0,7 23,6 170
0,7 21,7 180
2 0,7 23,7 235
Термообработка
Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.
549
Полученные холодной прокаткой полосы подвергали рекристаллизационному отжигу
в вакуумированных капсулах из кварцевого стекла при температуре 720
о
С в течение 20 мин.
в силитовой печи под защитным экраном.
Механические испытания
Из полос на специальном прессе вырубали образцы для механических испытаний.
Испытания проводили на машине Цвик–Z020 при комнатной температуре и скорости
траверсы 2 мм/мин. Типичная индикаторная диаграмма при растяжении представлена на рис.
5. Следует отметить, что для всех индикаторных диаграмм было характерно наличие зуба и
площадки текучести. Результаты механических испытаний приведены в таблице 4.