Научная статья на тему 'Влияние формы графита на механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом'

Влияние формы графита на механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
1774
99
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Лесотехнический журнал
ВАК
AGRIS
RSCI
Ключевые слова
ГРАФИТНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ / ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН / БЕЙНИТ / ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА / ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ / GRAPHITIC INCLUSIONS / HIGH-STRENGTH CAST-IRON / BAINITE / THERMAL TREATMENT / BREAKING POINT

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Полухин Максим Сергеевич, Шабанов Михаил Леонидович

В работе сделана попытка оценить влияние формы графита на механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Описаны основные формы графитных включений, встречающихся в высокопрочных чугунах и методика их получения (модифицирование). Исследования проводились при помощи металлографического анализа с целью изучения наличия и количества графитных включений, их морфологические особенности, взаимное расположение в зависимости от химического состава и термической обработки сплава. Исследованы структуры высокопрочных чугунов с шаровидным графитом в литом состоянии, состоящие из ферритно-трооститно-бейнитной матрицы с включениями карбидов и различным содержанием шаровидного и вермикулярнеого графита, и после термической обработки, состоящие из верхнего и нижнего бейнита. Форма графитных включений зависела от сохранившегося воздействия сфероидизирующих лигатур, которое в свою очередь определяется остаточным содержанием магния в чугуне и исчезает со временем выдержки обработанного сфероидизирующими добавками расплава за счет испарения из него магния. Термическая обработка чугуна состояла из трех стадий. Первую стадию проводили с целью полной аустенитизации, обеспечивая при этом склонность аустенита к частичной ферритизации при охлаждении и гомогенизацию остальной части аустенита, что достигается ступенчатым нагревом. Вторая стадия заключалась в охлаждении чугуна до 450-400 оС со скоростью выше критической, для чего отливки "замачивали" в воде с различной выдержкой, зависящей от толщины стенки отливки. Третью стадию термической обработки проводили в обычной термической печи путем термоциклирования в интервале температур 270-390 оС с общей длительностью 1,5-3 часа. После проведения механических испытаний на растяжение получены зависимости предела прочности и относительного удлинения от количества вермикулярного графита, присутствующего в чугуне с шаровидным графитом. На основе полученных зависимостей составлены рекомендации по содержанию долей времикулярного графита в чугуне с шаровидным графитом и дана количественная оценка массового содержания вермикулярного графита, не приводящего к существенному изменению механических свойств.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Полухин Максим Сергеевич, Шабанов Михаил Леонидович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFLUENCE OF A FORM OF GRAPHITE ON MECHANICAL PROPERTIES OF A BAINITE HIGH-STRENGTH CAST-IRON WITH SPHERICAL GRAPHITE

An attempt to estimate the influence of a form of graphite on mechanical properties of a bainite high-strength cast-iron with spherical graphite was made in the work. The basic forms of graphitic inclusions meeting in high-strength cast-iron and their reception technique (modifying) are described. The researches were carried out with the help of metallographic analysis for the purpose of studying the presence and quantity of graphite inclusions, their morphological features, a positional relationship depending on a chemical composition and a thermal treatment of an alloy. The structures of high-strength cast-iron with spherical graphite in the cast condition, consisting of ferrite troostite bainite matrix with carbide inclusions and the various content of spherical and vermicular graphite, and after a thermal treatment, consisting of upper and lower bainite were investigated. The form of graphitic inclusions depended on the conserved influence of spheroidising ligatures which, in its turn, is defined by the residual provision of magnesium in a cost-iron and disappears in the course of time of tenacity processed with spheroidising additives of a melt due to evaporation of magnesium from it. The thermal treatment of a cast-iron consisted of three stages. The first stage was carried out for the purpose of a full austenitisation, providing thus the propensity of an austenite to a partial ferritising at cooling and a homogenisation of other part of austenite that is reached by stepped heating. The second stage consisted in cooling of the cast-iron to 450-400 оС with a speed above critical, for that castings "soaked" in water with the various tenacity depending on a thickness of a wall of casting. The third stage of thermal treatment was carried out in the ordinary thermal furnace by a temperature cycling in the temperature interval 270-390оС with the general duration by 1.5-3 hours. After carrying out the mechanical tests for stretching, the dependences of breaking point and relative lengthening from the quantity of the vermicular graphite presenting in the cast-iron with spherical graphite are received. On the basis of the received dependences, recommendations on the content of shares of vermicular graphite in the cast-iron with spherical graphite are made and the quantitative estimation of the mass content of the vermicular graphite which is not leading to essential change of mechanical properties is given.

Текст научной работы на тему «Влияние формы графита на механические свойства бейнитного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом»

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: -

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.