УДК 628.517
ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
©Утепов Еркасын Балапанович, д-р техн. наук, проф., e-mail: utepov_5i@mail.ru; Мадижанова Алия Тупсынхановна, e-mail: madizhanova_alia@mail.ru; Малгаждарова Макпал Кабдуллаевна, e-mail: makpal-malgazhdarova@rambler.ru; Егемова Шынар Батырбековна, e-mail: shinar_86@mail.ru
Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева. Республика Казахстан, г. Алматы Статья поступила 28.02.2014 г.
Исследовано звукоизлучение известных и выплавленных сплавов; изучена микроструктура опытных образцов; оценено влияние неметаллических включений на эффект демпфирования.
Ключевые слова: демпфирование; звукоизлучение; сталь; сплав; микроструктура; пластина; свойства.
Среди разновидностей производственного шума одним из самых опасных и вредных является шум соударяющихся металлических деталей. Аналитическое исследование по проблеме снижения шума соударяющихся деталей за счет вибродемпфирующих металлических материалов позволило определить следующее:
- шум ударного происхождения является одним из самых вредных и распространенных видов шума, он вызывает негативное действие не только на органы слуха, но и на весь организм человека;
- ударный шум длительностью менее 1 мс не вызывает защитной реакции мускулатуры органов слуха;
— известные способы снижения шума (в том числе ударного происхождения) имеют целый ряд недостатков: необходимость увеличения габаритов рабочей зоны (звукоизоляция); снижение производительности труда из-за неудобств, вносимых шумозащитным устройством; значительные материальные затраты; необходимость в индивидуальных средствах защиты слуха; опасность возникновения пожара (горючие звукопоглощающие материалы); запыленность (звукопоглощение пористыми и мягкими материалами);
— снижение шума от соударяющихся металли-^ ческих деталей наиболее эффективно осуществ-Я лять в источнике его возникновения, используя
демпфирующие материалы. а Исходя из изложенного были поставлены сле-
^ дующие задачи исследования:
Ц — выплавить сплавы на основе железа, леги-
<
| рованные кремнием (до 1%), марганцем (до 1,5%),
церием (<1,5%), титаном (0,10—1,20%), ванадием (до 1,0%), хромом (до 1%);
— исследовать вибрационные свойства сплавов (уровни виброскорости и уровни виброускорения в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000; 31500 Гц);
Кремний относится к элементам, входящим в состав сталей. Он оказывает большое влияние на состав и характер неметаллических включений и является наиболее эффективным графи-тизатором, а наличие графита в структуре стали приводит к необратимому рассеянию энергии колебаний. Марганец — один из самых распространенных элементов в земной коре (0,09%) и широко применяется в составе сплавов на основе железа. Вместе с технецием и рением он входит в подгруппу металлов У11Л. Существует в двух модификациях (а и у), причем а-марганец тверд и хрупок, а у-марганец пластичен. Марганец всех марок содержит значительное количество примесей. Даже в наиболее чистом электролитическом марганце МпО (99,85%) стандартами допускается содержание до 0,03% серы, 0,04% углерода и 0,01% фосфора. Сплавы высокого демпфирования должны обладать также и высокими прочностными характеристиками. Кремний, марганец и хром эффективно повышают прочность сталей — они упрочняют феррит.
Церий иногда применяется в производстве стали, чугуна и сплавов цветных металлов. При этом используется главным образом мишметалл — сплав лантаноидов с преобладающим содержанием церия и лантана. Добавка малых количеств РЗМ повышает качество нержавеющих, быстро-
Таблица 1. Химический состав широко применяемых в промышленности сталей
Сталь Химический состав, мас. % ГОСТ
С Mn Si &
40Х 0,42 0,76 - 0,94 ГОСТ 4543-71
У8 0,80 0,24 - - ГОСТ 1435-74
45Х 0,44 0,64 - 0,93 ГОСТ 4543-71
9ХС 0,90 0,37 1,35 1,05 ГОСТ 5950-73
Ст3 0,17 0,48 - - ГОСТ 380-88
15 0,14 0,49 0,25 <0,25 ГОСТ 1050-74
20 0,21 0,39 0,10 < 0,25 ГОСТ 4543-71
35 0,38 0,70 0,20 <0,25 ГОСТ 1050-74
45 0,48 0,62 0,28 <0,25 ГОСТ 1050-74
Таблица 2. Химический состав сложнолегированных сплавов
Маркировка Химический состав, мас. %
образца C Ce № Mn Si ТС V & Fe
11 0,04 1,45 0,73 0,32 0,86 0,10 0,05 0,08 Ост.
12 0,06 0,95 0,53 1,52 0,14 0,08 - - Ост.
13 0,07 0,80 0,40 1,60 0,10 0,07 - - Ост.
21 0,07 0,32 0,63 0,32 0,08 0,10 0,52 0,88 Ост.
22 0,08 - 0,42 0,48 0,10 - 0,30 0,12 Ост.
23 0,06 - 0,38 0,35 0,25 - 0,40 1,00 Ост.
31 0,05 1,45 0,09 0,32 0,19 1,15 0,07 0,8 Ост.
32 0,06 1,30 - 0,95 0,87 1,09 - 0,48 Ост.
33 0,07 1,35 - 0,90 0,75 1,12 - 0,40 Ост.
41 0,06 0,325 0,93 1,40 0,08 1,15 0,07 0,08 Ост.
42 0,07 0,20 0,80 0,83 0,90 1,09 - - Ост.
43 0,07 0,20 0,70 0,80 0,80 0,80 - - Ост.
51 - 1,45 0,09 1,40 0,08 0,10 0,52 0,08 Ост.
52 0,06 1,30 - 0,83 0,87 - 0,40 - Ост.
53 - 0,95 - 0,85 0,75 - 0,35 - Ост.
режущих, жаропрочных сталей. Церий редко используется в качестве легирующего элемента для демпфирования, но зачастую его добавка меняет свойства сплавов необычным образом, к тому же влияние добавки церия в состав стали, легированной ниобием, марганцем, кремнием, титаном, хромом, ванадием, не изучено. В связи с этим одной из задач являлось исследование демпфирующих свойств сталей с добавлением церия.
Выбор диапазонов легирования каждым из элементов основан на результатах анализа диа-
грамм состояния железо-углерод, железо-марганец, железо-хром и др.
В качестве объекта исследования были выбраны стали и сплавы как широко используемые в промышленности, так и стали оригинальных составов, выплавленные авторами. Данные о химическом составе исследованных материалов приведены в табл. 1 и 2.
Опытные сплавы выплавляли в тигельной индукционной печи вместимостью 6-12 кг с основной футеровкой. Исходным материалом служило армко-же-лезо. Легирование производили 97,6%-ным металлическим марганцем, 77,5%-ным ФС. Углерод-содержащей добавкой служил синтетический чугун с содержанием 3,9% С. Сплавы разливали в металлические изложницы размерами 210x115x115 мм. Нижнюю и верхнюю части слитка отрезали и не использовали для исследований.
Слитки подвергали горячей ковке по технологии: нагрев до 1100 °С, выдержка 0,5 ч и ковка с промежуточными подогревами до 1100 °С. Режим нормализации - нагрев до Ас3 +50 °С, выдержка 1 ч и охлаждение на воздухе. Закалку проводили по режиму: нагрев до Ас3 +50 °С, выдержка 0,5 ч, охлаждение в воде. Нагрев проводили в кварцевых ампулах (вакуум порядка 10-3 атм.) в муфельной печи. Для виброакустических исследований из слитков вырезали образцы в форме пластин, размеры которых определялись формулой Кремера [1]
т < 4,6р1к2, (1)
где т - масса шарика, возбуждающего звук в пластине, г; р - плотность материала пластины, г/см3; I - расстояние от точки приложения удара до ближайшего края пластины, см; к - толщина пластины (см), которая должна быть не менее, чем в пять раз меньше ее длины и ширины. Размеры образцов 5x5x0,5 см удовлетворяют данному условию.
Таблица 3. Уровни виброускорения исследованных сплавов
Частота, Гц УВУ, дБ, при соударении ударниками диаметром, мм
9,5 12,7 15,85 18,25
Сплав № 11, см. табл. 2
1000 61 68 73 76
2000 69 75 81 85
4000 73 80 85 89
8000 72 69 82 78
16 000 90 97 100 103
31 500 78 86 90 93
Сплав № 32, см. табл. 2
1000 59 66 72 76
2000 67 74 81 84
4000 71 79 87 91
8000 68 63 86 85
16 000 89 95 99 101
31 500 80 85 91 97
Сплав № 33, см. табл. 2
1000 65 72 78 82
2000 74 82 86 89
4000 81 88 93 97
8000 81 87 94 96
16 000 105 114 112 119
31 500 103 104 110 115
Поверхности пластин шлифовались по 7-му классу чистоты по ГОСТ 2789—59. Отклонения от размеров не превышали 0,1 мм. Выплавку, термообработку и механическую обработку всех образцов проводили по единой технологии на одном и том же оборудовании.
Результаты исследования виброускорения полученных сплавов представлены в табл. 3 и на рис. 1, в представленных данных наблюдается следующая особенность: при соударении с более массивным ударником излучается вибрация меньшего значения, чем при соударении с менее массивным. Например, удельное виброускорение (УВУ) сплава 11 (см. табл. 3) на частоте 8000 Гц при соударении с ударником диам. 12,7 мм, образец генерирует вибрацию, оцениваемую в 69,2 дБ, а при соударении ударником диам. 9,5 мм виброускорение оценивается в 72,2 дБ. То же самое наблюдается при соударении этого же образца с ударниками диам. 15,85 мм и 18,25 мм (более мас-
110
100
90-
ю
< 80-
т
>>
70
60
50 0
110-,
100-
90
Ю
<
< 80-
т
>> 70
60
50
130
120
0 5000 1000015000 200002500030000 35000
1000 2000 4000 8000 16000 31500
110 И 100 "
1 90 -| £ 80 -I 70 -60 50
1000 2000 4000 8000 16000 31500 Частота, Гц
Рис. 1. Спектр звукоизлучения сплавов № 11 (а), № 32 (б) и № 33 (в)
После травления
Без травления
Рис. 2. Микроструктура сплава 32 (литье + ковка + нормализация), х320
сивный ударник генерирует вибрацию меньшего значения). Этот эффект известен из теории внутреннего трения как амплитудно-зависимое демпфирование (АЗД) [2—5] — с ростом амплитуды удара растет способность материала поглощать вибрацию. Аналогичные эффекты АЗД наблюдаются у сплавов 32 и 33 (см. табл. 3).
а
б
в
Рис. 3. Микроструктура сплава № 33 (литье + ковка + закалка), х320
Рис. 4. Микроструктура сплава № 11 (литье + ковка), х320
Микроструктура сплава № 32 (рис. 2) (0,06% С; 1,30% Се; 0,95% Мп; 0,87% Б1; 1,09% И; 0,48% Сг; ост. - Бе) состоит из феррита и перлита. В результате нормализации измельчилось зерно, укрупнились неметаллические включения.
Микроструктура сплава № 33 (рис. 3) (0,07% С; 1,35% Се; 0,90% Мп; 0,75% 1,12% И; 0,40% Сг; ост. - Бе) представлена после литья в кокиль и последующей горячей ковки, закалки и высокого отпуска. Микроструктура сплава - троостигомар-тенсит с неметаллическими включениями (силикаты). Эти включения - весьма крупные образования (хорошо видны на нетравленном шлифе).
Микроструктура сплава № 11 (0,04% С; 1,45% Се; 0,73% ЫЬ; 0,32% Мп; 0,86% Б1; 0,10% Т; 0,05% V;
0,08%
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.