УДК 669.15-194.546.821
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ГРАФИТА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЙНИТНОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ М. С. Полухин, М. Л. Шабанов
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
mpoluhin@inbox.ru
Графитизированные чугуны по форме графитных включений в их структуре подразделяют на:
- чугуны с пластинчатым графитом или серые чугуны;
- чугуны с хлопьевидным графитом или ковкие чугуны;
- высокопрочные чугуны, которые в свою очередь делятся на чугуны с шаровидным графитом и чугуны с вермикуляр-ным графитом.
Считается, что механические свойства серых чугунов хорошо коррелируются с эвтектичностью чугуна (или со степенью насыщенности Sc). Чем она выше, тем больше графита в сплаве, тем ниже эти свойства. В ковком и высокопрочном чугуне такая корреляция прослеживается значительно слабее, а иногда в ЧШГ и вовсе отсутствует, - важнее оказываются такие факторы, как компактность графитных включений, их размер, среднее расстояние между ними.
У серого литейного чугуна, где графит присутствует в форме длинных пластинок с острыми краями, отношение длины к толщине графита (так называемое ас-пектное отношение) колеблется в пределах от 12 до 30 (рис. 1, а). У высокопрочных чугунов с шаровидным графитом эта величина составляет приблизительно 1 (рис. 1, в). В чугунах с вермикулярным графитом,
где графит имеет форму коротких червеобразных включений с закругленными краями, это отношение находится в пределах от 2 до 10 (рис. 1, б).
Рис. 1. Форма графитных включений в а - сером чугуне, б - высокопрочном чугуне с вермикулярным графитом, в - высокопрочном чугуне с шаровидным графитом
На практике шаровидную форму графита получают модифицированием чугуна. Конечная форма графитных включений зависит от соотношения в чугуне содержаний сфероидизирующих и десфе-роидизирующих компонентов, которые часто оценивают остаточным содержанием магния. Это содержание существенно зависит от времени выдержки модифицированного расплава за счет испарения из него магния. Инокулирующая способность вторичного модифицирования также склонна к угасанию с увеличением времени выдержки расплава, что объясняется
дезактивациеи и растворением потенциальных зародышей графита в жидком чугуне.
Графит различной степени компактности вплоть до вермикулярной формы получали путем выдержки расплава чугуна в открытом ковше после сфероидизирую-щего модифицирования за счет снижения остаточного содержания магния в расплаве. В образцах, которые были залиты непосредственно после модифицирования, была получена структура чугуна с шаровидной формой графита.
С увеличением содержания количества вермикулярного графита происходит изменение физических, механических и эксплуатационных свойств чугуна. Микроструктура с распределением графитных включений различной формы в одном из промежуточных вариантов (выдержке 25 мин) приведена на рис. 2.
Характер влияния количества верми-кулярного графита на механические свойства исследовали на высокопрочном чугуне состава: С 3,41 %, Si 3,04 %, Мп 0,32 %, Си 1,8 %, Мо 0,42 %, Mg 0,03 %, Ва 0,05 %, РЗМ 0,04 %.
В литых пластинах структура чугуна состояла из ферритно-трооститно-бейнитной матрицы с включениями карбидов, и различным содержанием шаровидного и вермикулярного графита. Механические свойства чугуна, содержащего 100 % шаровидного графита в литом состоянии: предел прочности ов= 745-752 МПа, относительное удлинение 5~4 %, ударная вязкость КС=10-14 Дж/см2, твердость на образцах (пластинах толщиной 12 мм) 302 НВ.
Для обеспечения бейнитной структуры проводилась термическая обработка. Она состояла из ступенчатого нагревания (830 оС, выдержка 30 мин; 900 оС, выдержка 30 мин), прерывистой закалки от 900 оС с замачиванием в воде (3-4 с) и термоциклирования в интервале температур 290-320 оС в течение 3 часов [2].
Рис. 2. Распределение шаровидного и вермикулярного графита в чугуне по одному из промежуточных вариантов выдержки (25 мин), х100 [1]
После термической обработки в структуре матрицы чугуна преобладал бейнит (смесь верхнего и нижнего бейни-та) при полном отсутствии структурно свободных карбидов. Изменения механических свойств бейнитного высокопрочного чугуна (предела прочности ов и относительного удлинения 5) в зависимости от содержания в структуре вемикулярного графита, ВВГ, представлены на рис. 3.
Зависимости, полученные при статистической обработке на ЭВМ, приведены ниже:
= 1196,6 -15,544 • ВВГ + 0,082 • В2вг, МПа, (1)
S = 7,9182 - 0,1005 • ВВГ + 0,0003 • В2вг, %. (2)
Sp 8-
О^
CD
S
Л
CD Л 6-
S
с;
q: -
>ч
CD о 4-
л
с, -
(D
1-
S о 2-
о
л
-
о
0J
го 1=
1300 1200
1000
н о о
X
о 800
о.
с
с;
CD
§" 600 о.
1=
400
■
1 ^
0
20
40
60
80
100
Доля вермикулярного графита,%
- диапазон экспериментальных значений □ - значения по литературным данным Рис. 3. Влияние количества вермикулярного графита на предел прочности (1) и относительное удлинения (2) бейнитного чугуна с шаровидным графитом
Приведенные зависимости показывают, что при равном содержании шаровидного и вемикулярного графита механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна снижаются примерно в 2 раза, а при содержании вермикулярного графита в количестве 32-35 % соответствуют свойствам чугуна в литом состоянии. Таким образом, в высокопрочном чугуне, содержащем более 30 % вермикулярного графита, упрочняющая термическая обработка не приводит к увеличению механических свойств, а изменяет лишь структуру металлической матрицы. Максимальное содержание вермикулярного графита, не
приводящее к существенному изменению механических свойств, не должно превышать 10 %.
Библиографический список
1. Чугун: Справочное издание // Под ред. А.Д. Шермана, А.А. Жукова. М.: Металлургия, 1991. 576 с.
2. Пат. 2307875 РФ, С22 С37/04. Чугун и способ термической обработки отливок из него / Г.И. Сильман, В.В. Камынин, Л.Г. Серпик, М.С Полухин (Россия). - № 2006109073/(009869); заявл. 22.03.06; опубл. 10.10.07, Бюл. №28.