CC BY
44
IV МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРГП ТА
МАШИНОБУДУВАНН1
УДК 669.15
В. А. Савченко
Национальный технический университет, г. Запорожье
ПРИМЕНЕНИЕ ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Изучено влияние модифицирования на структуру, форму графитовых включений и механические свойства графитизированных сталей.
Графитизированные железоуглеродистые сплавы: серые, ковкие и высокопрочные чугуны - находят широкое применение в современном машиностроении. Наличие в их структуре графитной фазы способствует улучшению обрабатываемости резанием, повышению износостойкости в парах трения, гашению вибрации. К графитизированным сплавам относятся не только чугуны, но и графитизированные стали с содержанием углерода 0,8.. .2,0 %.
Вследствие более низкого, по сравнению с чугуна-ми, содержания углерода кристаллизация графитизи-рованной стали происходит без выделения графитной фазы и сопровождается высокой объемной усадкой, а также повышенной склонностью к трещинообразова-нию. Поэтому технология получения графитизирован-ных сталей аналогична технологии получения ковкого чугуна, то есть она предусматривает применение продолжительного и энергоемкого отжига для разложения структурно-свободного цементита, что повышает себестоимость производства и сдерживает применение этого материала в машиностроении [1].
Согласно [2], графитизированной называется сталь, в которой часть углерода находится в виде включений графита. Благодаря повышенному содержанию углерода (до 2,0 %) и кремния (до 2,5 %) [1], а также наличию в структуре графитной фазы, данная сталь по физико-механическим свойствам занимает промежуточное положение между углеродистыми сталями и графитизированными чугунами. В зависимости от содержания элементов-графитизаторов - углерода и кремния - образование графита в графитизированных сталях возможно как в процессе кристаллизации, так и в твердом металле путем распада цементита в ходе графитизирующего отжига. В первом случае графит имеет пластинчатую форму, во втором - компактную, близкую к шаровидной или хлопьевидную, типичную для ковких чугунов. Таким образом, изменяя содержа-
ние углерода и кремния, а также других элементов, оказывающих влияние на процессы графитизации, представляется возможным управлять формой, размерами и распределением графитовых включений, а следовательно, и свойствами графитизированных сталей.
Поэтому для повышения конкурентоспособности графитизированных сталей по отношению к чугунам, бронзам, низколегированным сталям, перспективным представляется создание технологий, обеспечивающих в процессе кристаллизации отливок формирование графитных включений и предотвращение или сведение к минимуму образования структурно-свободного цементита. При этом снизятся объемная усадка и склонность к трещинообразованию, что позволит изготавливать из графитизированных сталей отливки сложной конфигурации, включая и корпусные. Соответственно при этом ликвидируется или сведется к минимуму операция энергоемкого отжига для разложения цементита, что повысит рентабельность производства.
Нами решалась задача по изучению совместного влияния элементов графитизаторов - углерода и кремния - на процессы графитообразования и свойства графитизированных сталей. Для решения поставленной задачи в 45 килограммовой индукционной печи были выплавлены стали с возрастающим содержанием углерода от 0,8 до 1,12 %, кремния от 1,00 до 1,84 % и практически постоянным содержанием других элементов: 0,33.0,36% Мп, 0,12.0,14 % А1, 0,022.0,027 % Р и 0,008.0,01 % 8. В качестве шихтовых материалов использовали чушковый литейный чугун марки Л5 (ГОСТ 4832-80), отходы литья стали 20 (ГОСТ 278786). Ферромарганец марки ФМн-78 (ГОСТ 4756-70), ферросилиций марки ФС-65 (ГОСТ 19658-81) и алюминий вводились в ковш перед заливкой металла. Заливку металла производили при температуре 1500 °С в сухие песчано-глинистые формы.
© В. А. Савченко, 2007
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2007
113
Исследования графитных включений проводили на нетравленных образцах, а металлической основы - на шлифах после травления 4 % спиртовым раствором НЫ03. Металлографический анализ полученных сплавов показал, что введенные ферросилиций, ферромарганец и алюминий в ковш непосредственно перед заливкой послужили графитизирующими модификаторами, которые способствовали процессу образования свободного графита в сталях в литом состоянии. Это утверждение подтверждается автором [8], который показал, что степень графитизации структуры в чугу-нах в значительной мере определяется содержанием кремния. Повышая активность и коэффициент диффузии углерода, кремний стимулирует выделение графитной фазы. Графитизирующее действие кремния значительно усиливается, когда его вводят в составе модификатора. В результате модифицирования в расплаве образуются сильно пересыщенные кремнием микрообъемы, в которых облегчается зарождение центров графитизации. Именно поэтому с увеличением содержания углерода и кремния в сплаве отмечалось увеличение количества свободного графита.
В металле плавки № 1 (табл. 1) наблюдались немногочисленные включения графита округлой формы (рис. 1, а), в то время как в сталях плавки №2 2 включения графита имели шаровидную форму и равномерно распределялись по всему объему шлифа (рис. 1, б). С увеличением содержания углерода и кремния (плавка № 3) наблюдались включения графита как шаровидной, так и хлопьевидной формы (рис. 1, в), которые равномерно распределялись по всей площади шлифа.
Результаты экспериментов показали, что оптимизировать форму и расположение графитной фазы можно модифицированием кремнием и алюминием. В зависимости от содержания углерода и кремния изменялась и структура металлической основы литой графитизиро-ванных сталей. При содержании кремния 1,00 % сталь имела структуру металлической основы, состоящую из цементита, перлита и феррита, при 1,67 % кремния -перлитоферритную, а при 1,84 % кремния - феррито-перлитную (см. табл. 1).
в
Рис. 1. Микроструктуры графитизированной стали в литом состоянии:
а - плавка №1; б - плавка № 2; в - плавка № 3 х 150
Таблица 1 - Химический состав, структура и форма графита опытных плавок
№ плавки Содержание элементов, масс. % Е (С + Б1) Структура металлической матрицы Уг.об % Форма графита
С
1 0,84 1,00 1,84 Ц+П+Ф 1,8 Ш
2 1,04 1,67 2,71 П+Ф 4,9 Ш
3 1,12 1,84 2,96 Ф+П 12,5 ХВ+Ш
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРПТ ТА МАШИНОБУДУВАНН1
Как известно, форма графита существенно влияет на механические свойства как чугунов, так и графити-зированных сталей. Поэтому были определены параметр (отношение максимального размера к минимальному) и фактор формы Ф=3,545 ^ЁТр (где ^ - площадь включения, Р - периметр включения) графитовых включений опытных плавок, характеризующие степень их глобуляризации (табл. 2).
Из таблицы 2 следует, что с изменением параметра и фактора формы изменяются и механические свой-
Таблица 2 - Параметр, фактор формы и свойства сталей
№ плавки Параметр формы Фактор формы Механические свойства
Твердость, HB ^в , МПа
1 1,1 0,92 290 300
2 1,0 0,95 350 315
3 1,2 0,86 320 294
ства графитизированных сталей. Так, с увеличением фактора формы возрастает твердость и прочность, а пластичность уменьшается.
Как видно из представленных выше результатов исследований, графитизированные стали можно получать с включениями графита шаровидной формы уже в литом состоянии. Для этого необходимо модифицировать графитизированные стали ферросилицием, ферромарганцем и алюминием непосредственно перед заливкой в формы.
Выводы
Представленные результаты исследований показали, что на образование свободного графита в графи-тизированных сталях влияет не только содержание углерода и кремния, но еще и способ введения кремния. Если вводить кремний в ковш в виде ферросилиция непосредственно перед заливкой металла в качестве модификатора, то можно получить свободные включения графита в литом состоянии, что сводит к минимуму образование свободного цементита. Соответственно можно минимизировать либо ликвидировать полностью энергоемкий графитизирующий отжиг сталей, который затрудняет их широкое внедрение в машиностроении.
Перечень ссылок
1. Тодоров Р. П., Николов М. В. Структура и свойства отливок из графитизированной стали. - М.: Металлургия, 1976. - 168 с.
2. Коровина Г. В. Литая графитизированная сталь. - Свердловск: Машгиз, 1959. - 39 с.
Одержано 17.06.2007
До^джено вплив модифшування на структуру, форму графтових включень та мехатчт властивостi графiтизованих сталей.
The influence of modification on structure andform of graphite inclusions and mechanical properties of graphite steels is studies.
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2007
115
