Измерение микротвёрдости многослойного металлического материала, полученного методом электрошлакового переплава

Электрошлаковый переплав весьма вариативен и позволяет решить задачу получения многослойных заготовок с высокой сплошностью соединения слоёв для последующего передела на листовую продукцию [1].

По предлагаемой в работе [2] технологии, формирование слоёв нового состава осуществлялось подачей с заданной периодичностью в жидкометаллическую ванну углеродосодержащего материала конкретной массы. С целью определения изменений, вызванных введением добавок, проведён ряд механических испытаний, исследования микро- и макроструктуры [3, 4]. Для более полного выявления динамики изменения свойств материала был проведён ряд испытаний по определению микротвёрдости полученного материала.

Метод измерения микротвердости при металлографических исследованиях во многих случаях позволяет получить результаты, недостижимые при макроскопических механических испытаниях, например, выявить картину изменения значения твёрдости в многослойной металлической композиции. Благодаря малым размерам отпечатка можно измерять микротвёрдость отдельных фаз или даже отдельных зёрен. Измерение микротвёрдости относится к микромеханическим испытаниям, ко-

торые были разработаны для металлографических исследований свойств отдельных структурных составляющих сплавов.

Измерение микротвёрдости осуществлялось традиционно, путём вдавливания алмазной пирамидки под нагрузкой менее 2 Н (200 гс) [5]. Выбор участка для испытания микротвёрдости и определение размеров отпечатка производится под микроскопом, затем по специальным таблицам пересчитывается на так называемое число твёрдости – отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Прибор для определения микротвёрдости обеспечивает возможность выбора участка микроструктуры, где будет произведено вдавливание.

Испытаниям на микротвёрдость подвергался материал, полученный при электрошлаковом переплаве стали марки 30Х13 с введением в плавильное пространство по ходу переплава присадки-науглераживателя. Усреднённый химический состав полученной многослойной композиции: C – 0,6…1,3 %, Si – 0,5 %, Cr – 10,54 %, Mn – 0,25 %, S – 0,024 %, P – 0, 039 % (мас.). Данные по технологии получения, маркировке образцов и полученным механическим свойствам многослойного металлического материала приведены в табл. 1.

Таблица 1

б)

в)

Рис. 1. Макроструктура: а – образец 1, б – образец 3, в – образец 5, г – образец 7

г)

Маркировка, режимы деформации и термической обработки образцов многослойной металлической композиции

№ плавки	Порция присадки, г	№ образца	Режим деформации	Режим термической обработки	σ 0,2 , МПа	σ B , МПа	HRC	HB
1	150	1 Продольный 2 Поперечный	Ковка на размер 35×35	Отпуск 250 °С	521	762	50	495
		5 Продольный 6 Поперечный	Ковка с квадрата 35×35 на 15×15	Отжиг 950 °С	738	836	53	524
		7 Продольный 8 Поперечный	Ковка с квадрата 35×35 на 15×15	Отжиг 950 °С, охлаждение с печью; закалка 1050 °С, охлаждение в масле, отпуск при 400 °С	1011	1043	62	625
2	200	3 Продольный 4 Поперечный	Ковка на размер 35×35	Отпуск 250 °С	1259	1287	65	677

Металлургия чёрных, цветных и редких металлов

Определение микротвёрдости многослойной металлической композиции проводилось на платформе ООО «Тиксомет» (Санкт-Петербург). Структурные составляющие металлического композиционного материала вытравливались 5%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Макроструктура исследуемых образцов приведена на рис. 1. В макроструктуре образцов видна выраженная структурная неоднородность в виде полосчатости. Для проведения испытаний использовался микротвердомер Buehler Micromet 6040, оснащённый моторизацией и программным обеспечением Thixomet. В качестве индентора применялась четырёхгранная алмазная пирамидка, нагрузка 200 гс. Исследование проводилось в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1:2007. Отпечатки микро- твёрдости приведены на рис. 2. Также измерена микротвёрдость карбидной фазы – карбида хрома при нагрузке 20 гс, она составляет 1278 HV. Данные о результатах испытания микротвёрдости представлены в табл. 2, из которых можно сделать следующие выводы.

Микротвёрдость материала с большим количеством присадки выше, чем с меньшей массой при-садки-науглероживателя, что логично объясняется большим количеством карбидной фазы. На поперечных образцах микротвёрдость выше, чем на продольных. Причина этого в особенностях режима деформации – происходила осадка слитка по высоте и, соответственно, большее уплотнение происходило в этом направлении. Образцы, подвергнутые более глубокой степени деформации и тер-

а)

б)

Рис. 2. Отпечатки микротвёрдости: а – образец 4, б – образец 8, в – карбид хрома

в)

Таблица 2

Микротвёрдость многослойного металлического материала

HV (200 гс) № отпечатка 1 2 3 4 5 6 7 8 1 352 375 357 361 693 751 746 757 2 357 375 362 365 741 745 739 726 3 361 376 357 365 703 727 733 746 4 357 375 359 356 706 722 749 732 5 366 365 355 357 738 745 753 743 6 374 368 354 377 722 729 727 744 7 363 370 371 372 737 756 570 746 8 383 370 363 374 731 730 767 736 9 373 384 355 374 732 692 729 743 10 375 407 352 375 717 726 722 749 11 383 403 360 363 714 737 725 739 12 374 396 354 374 738 749 727 731 13 376 409 341 375 728 727 734 728 14 376 409 344 374 718 731 751 735 15 376 372 346 368 721 741 739 741 16 378 376 351 366 – – – – 17 364 385 347 366 – – – – 18 379 371 358 368 – – – – 19 375 377 355 374 – – – – 20 370 377 349 402 – – – – 21 371 378 354 394 – – – – 22 368 385 345 399 – – – – 23 385 373 348 403 – – – – 24 378 377 365 398 – – – – 25 385 388 350 391 – – – – 26 394 384 363 362 – – – – 27 385 390 356 363 – – – – 28 397 393 364 363 – – – – 29 410 403 361 362 – – – – 30 397 381 367 369 – – – – 31 395 381 370 368 – – – – 32 374 387 359 369 – – – – 33 381 379 357 365 – – – – 34 379 377 357 368 – – – – 35 381 374 363 366 – – – – Среднее значение 377 383 356 373 723 734 724 739 Стандартное отклонение 12,4 12 7,37 12,7 16,1 17,4 52,8 7,55 Доверительный интервал 4,19 4,05 2,49 4,31 9,27 10,1 31,8 4,55 (95 %) Относительная точность (%) 1,11 1,06 0,7 1,16 1,28 1,37 4,4 0,62 мической обработке по режиму «отжиг» и «отжиг + закалка», показывают результаты значения микротвёрдости почти в 2 раза выше. Более глубокая степень деформации (квадрат 15×15) приводит к размытию в структуре материала слоёв. Перепады значений твёрдости в образцах 5–8 (~7 %), а в образцах 1–4 (~15 %). А это значит, степень деформации на образцах 5–8, приводит к размытию многослойной структуры и является уже нежелательной.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования № 11.1470.2014/К, а также поддержана Минобрнауки по соглашению № 14.574.21.0122.