CC BY
17УДК 621.771:621.746
Р.А. Бикулов, В.И. Астащенко, М.С. Колесников, Т.В. Астащенко
ВЛИЯНИЕ СФЕРОИДИЗИРУЮЩЕГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ АУСТЕНИТО-БЕЙНИТНЫХ ЧУГУНОВ
Камская государственная инженерно-экономическая академия
Исследована и показана возможность применения низконикелевого и низкомагниевого модификаторов для получения высокопрочного чугуна. Механические свойства полученного чугуна находятся на высоком уровне.
Ключевые слова: высокопрочный чугун, сфероидизирующие модификаторы, аустенизация, изотермическая закалка, закалочные среды, микроструктура металлической основы, графитовые включения, механические свойства.
Аустенито-бейнитные чугуны с шаровидным графитом обладают высоким комплексом механических и эксплуатационных свойств, что делает их перспективными для изготовления ответственных тяжелонагруженных деталей в автомобилестроении: шестерен, коленчатых валов, рычагов передней подвески и т.п. В работе обоснован выбор базового варианта технологического процесса изготовления отливок из высокопрочного чугуна, обеспечивающего получение без термической обработки ВЧШГ с ов > 600 МПа, о0,2 > 380 МПа, 5 > 10%, а после изотермической закалки - аустенито-бейнитного ВЧШГ с ов > 900 МПа, о0,2 > 520 МПа, 5 > 5%. Для решения поставленной задачи исследованы широко используемые отечественные сфероидизирующие модификаторы для ковшевого и внутриформенного модифицирования и вновь разработанные [1, 2].
Плавку чугуна проводили в индукционной тигельной печи повышенной частоты МГП-52 с основной футеровкой и использованием в шихте передельных чугунов, отходов углеродистой стали и ферросплавов.
На первом этапе исследований в качестве сфероидизирующих модификаторов использовали ЖКМК-4Р (49,6% Si, 9,5% Ca, 8,6% Mg, 4,7% РЗМ, Fe - ост.); медь - магниевую и ни-кель-магний-цериевую лигатуру (90% №, 9% Mg, 1% Ce). В качестве флюса применили криолит К2 (ГОСТ 10561-73). Графитизирующее модифицирование осуществляли ФС-75 (ГОСТ 1415-78). Модификатор ЖКМК-4Р вводили в ковш с помощью «колокольчика», тяжелые лигатуры - на дно ковша.
Для получения аустенито-бейнитной структуры использовали двухступенчатую закалку:
• аустенитизация - нагрев образцов до 900°С в соляной ванне, выдержка 0,5 ч.; заготовки
для оценки прокаливаемости выдерживались один час;
• изотермическая закалка в селитре в течении двух часов при температуре 300°С (режим
1), 350°С (режим 2) и 380 °С (режим 3), дальнейшее охлаждение на воздухе.
Химический состав исследованных чугунов: 3,45-3,65% С; 0,2-0,25% Mn; < 0,02% S;
< 0,08% P.
Использовались различные варианты модифицирования: 2,5% ЖКМК-4 (1); 0,6% + 0,6% + 0,6% ФС75 (2); 1,1% + 0,6% ФС75 (3);1,2%
Mg) + 0,6% ФС75 (4).
При варианте 1 в чугуне содержалось 2,9-3,12% Si, в остальных вариантах - 2,4-2,6% Si. При варианте 2 в чугуне содержалось 0.48-0,52% № и 0,49-0,52% при варианте 3 - 0,850,93% №, при варианте 4 - 0,78-0,81% №.
© Бикулов Р.А., Астащенко В.И., Колесников М.С., Астащенко Т.В., 2010.
С учетом выбранных отливок-представителей, в частности отливки «рычаг передней подвески» автомобиля КАМАЗ, требуемый уровень прокаливаемости (до 15 мм) обеспечивался введением в чугун до 0,5% № или 0,5% Си. В нелегированных чугунах, модифицированных ЖКМК-4, обеспечивалась прокаливаемость до 10 мм. Предварительные эксперименты показали, что введение до 0,5% Мо несколько снижает прочность и, особенно, пластичность чугуна, обеспечивая в то же время сквозную прокаливаемость образцов толщиной до 30 мм.
Данные о механических свойствах полученных чугунов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства АБВЧШГ
Варианты Режим Механические свойства
модифициро- изотермиче- Ов О0,2 5, НВ КС,
вания ской МПа % Дж/см2
закалки
1 1 1390 1000 1220 2,8 401 79
2 765 9,3 302 132
2 1 1330 1230 1,1 415 53
2 930 755 5,4 338 83
3 1 1350 1230 1,2 388 71
2 930 745 7,2 311 99
4 1 1420 1270 2,1 415 71
2 975 760 7,9 331 93
Учитывая, что применение №-М§-Се лигатуры позволяет получить достаточно высокие свойства чугуна как в литом, так и в изотермическом закаленном состояниях, а также ее широкое применение на заводах, нами исследована возможность использования низкомагниевой (до 5% М§) и низконикелевой (до 30% №) лигатуры, отличающейся высокой технологичностью при ковшевом модифицировании, сравнительной дешевизной и возможностью ее изготовления непосредственно в литейных цехах.
Проведенные исследования позволили оптимизировать состав модификатора и отработать технологию его получения и измельчения.
При получении лигатуры использовались две плавильные печи, процесс смешения расплавов и получение низконикелевой Бе-№-М§-Се лигатуры осуществлялся под слоем флюса, церий вводился в виде МЦ-40. По одному варианту лигатура разливалась в водоохлаждае-мые изложницы. Полученные слитки дробились с использованием вибрационной щековой дробилки марки 150 ДР и мельницы КИД60, что позволило получить фракцию менее 1,0 мм. В результате дополнительных экспериментальных работ нами была также получена лигатура в виде порошка на установке УРС40-1, которая используется обычно для получения металлических порошков распылением расплава в струе газа. Полученный порошок с фракцией 0,2-0,4 мм отличается стабильностью химического состава, удобен для автоматизированного процесса дозирования и расфасовки. Использование лигатуры в виде порошка повышенной дисперсности при обработке чугуна в ковшах до 70 кг показало ее высокую технологичность, отсутствие пироэффекта и дымовыделения, высокое усвоение и обеспечивает (при остаточном содержании № в чугуне = 0,51%) без термообработки ов = 605 МПа, о0,2 = 385МПа и 5 = 10,2%, а после термообработки (режим 1/ режим 2) ов = 1390/1120 МПа, о0,2=1180/905МПа и 5 = 2,6/5,5 %.
При внутриформенном модифицировании использовалась лигатура ФСМг5 (ТУ-14-5-134-86). Конструкция и методика расчета литниковой системы были, как и на ОАО «КАМАЗ», но с установкой фильтра типа Беёех.
В чугуне, содержащем 3,48% С, 2,5% Я 0,16% Мп, 0,2% №, 0,58% Си, 0,015% S, 0,038% Р и 0,06% Сг, при введении 1,5% ФСМг5 были обеспечены свойства:
• без термообработки Ов = 605 МПа, 00,2 = 400МПа, 5 = 10,4% и 230НВ;
• после изотермической закалки (режим 3) ов = 1020 МПа, о0,2 = 760МПа, 5 = 5,6% и 325 НВ.
В чугуне, содержащем 3,37% С, 2,67% Si, 0,12% Мп, 0,64% Си, 0,034% S, 0,047% Р и
0,04% Сг, были обеспечены свойства:
• без термообработки ов = 650 МПа, о0,2 = 420МПа, 5 = 7,3% и 235 НВ;
• после изотермической закалки (режим1/режим2) ов = 1470/1140 МПа, о0,2 = 1150/770МПа,
5 = 3,0/9,7 % и 415НВ/330НВ.
Полученные результаты работы свидетельствуют о том, что с использованием отечественных шихтовых материалов и предложенных низконикелевых и низкомагниевых модификаторов возможно получение отливок из ВЧШГ, которые обеспечивают для деталей автомобилестроения из чугуна требуемые свойства как в литом, так и в термообработанном состояниях.
Во второй части работы исследовано влияния легирования чугуна никелем и медью, которые (по имеющимся данным) увеличивают прокаливаемость и повышают прочность чугуна. Нами была проведена серия экспериментов, в которых никель и медь вводились раздельно и совместно. Химический состав, прокаливаемость, механические свойства базовых чугунов, используемых на ОАО «КАМАЗ», в исходном и закаленном состояниях приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Характеристика химического состава и структуры АБВЧШГ *
Плавка Химический состав (мас., %) Структура графита Количествово феррита в металлической основе в литом состоянии
С Мп N1 Си Мо Кф йг
1 3,57 2,61 0,26 0,23 0,57 - 0,94 43 Ф65
2 3,45 2,71 0,25 0,05 0.65 - 0,93 38 Ф40
3 3,64 2,64 0,27 0,90 - - 0,93 36 Ф55
4 3,57 2,68 0,27 0,57 0,49 - 0,90 51 Ф35
5 3,56 2,51 0,27 - 0,94 - 0,91 38 Ф30
6 3,52 2,57 0,28 1,93 - - 0,94 41 Ф15
7 3,23 2,26 0,51 0,35 1,00 0,30 0,92 48 Ф5
* АБВЧШГ - аустенито-бейнитный высокопрочный чугун с шаровидным графитом; Кф - коэффициент формы графита; йг - средний размер графитовых включений (мкм).
Из каждой плавки определялись механические свойства ВЧШГ на образцах, вырезанных из стандартных клиньев: в литом состоянии (по 3 образца от каждой плавки) и после изотермической закалки (по 3 образца на каждый режим термической обработки).
Исследования структуры на микроскопе NEOFOT-21 проводили на шлифах, вырезанных из образцов клиновидных заготовок и головок образцов после механических испытаний. Механические испытания при статических нагрузках проводили на универсальной разрывной машине 2Б-20. Ударную вязкость определяли по ГОСТ 9454-78 на образцах размером 10^10x55 мм без надреза на маятниковом копре МК-10.
Во всех случаях после закалки структура чугуна состояла из бейнита и остаточного ау-стенита. Видно, что изотермическая закалка чугуна базового состава (табл. 3), легированного
в различном соотношении медью и никелем, обеспечивает возможность варьировать в широких пределах прочностью (905-1450 МПа) и пластичностью (1,3-9,8%). При этом прокали-ваемость изменяется в пределах от 7,5 до 17 мм. Дополнительное легирование чугуна молибденом (0,3%) несколько снижает пластичность, но увеличивает прокаливаемость до 32-38 мм.
Таблица 3
Влияние параметров термической обработки на механические свойства и прокаливаемость АБВЧШГ
Плав- Параметры те змообработки Механические свойства Прокаливаемость,
ка аустенитиза- изотермиче- Ов, О0,2, 5 , НВ мм
ция ская закалка МПа МПа %
Т,°С т, мин Т,°С т, мин
1 - - - - 530 420 11,8 190 -
1 900 30 300 30 1400 1230 1,6 400 12,0
1 900 30 380 30 1000 750 5,4 295 9.0
2 - - - - 560 440 6,7 200 -
2 900 30 300 30 1450 1120 2,1 406 10,0
2 900 30 380 30 1140 730 8,9 298 8,0
3 - - - - 520 410 7,4 196 -
3 900 30 300 30 1350 1220 1,3 386 10,8
3 900 30 380 30 905 715 7,9 290 7,5
4 - - - - 550 445 6,3 202 -
4 900 30 300 30 1330 1120 1,2 405 12,0
4 900 30 380 30 915 730 6,1 305 9,0
5 - - - - 580 410 5,8 206 -
5 900 30 300 30 1400 1220 2,0 418 13,0
5 900 30 380 30 960 735 8,3 300 9,0
6 - - - - 680 560 2,8 226 -
6 900 30 300 30 1350 1140 5,1 380 17,0
6 900 30 380 30 950 685 9,8 275 12,0
7 - - - - 750 550 1,5 242 -
7 900 30 300 30 1500 1250 1,2 415 38,0
7 900 30 380 30 1015 770 3,8 320 32,0
Выводы
1. Показана возможность использования низконикелевых и низкомагниевых модификаторов для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
2. Благодаря изотермической закалке чугуна в горячем расплаве соли можно повысить прочностные показатели сплава при сохранении на высоком уровне его пластичных свойств.
3. Легирование чугуна медью и никелем позволяет достичь прокаливаемости на уровне 7,5 - 17,0 мм и получить на ВЧШГ высокую прочность как в литом (ов > 520 МПа), так и термообработанном (ов > 905 МПа) состоянии. Дополнительное введение молибдена в чугун существенно повышает его прокаливаемость, но несколько снижает (до 3,8%) пластичность. Достигаемый уровень свойств указывает на возможность применения чугуна для автомобильных отливок ответственного назначения.
Библиографический список
1. Производство чугунов многоцелевого назначения: разработка составов и управление технологическими процессами / Р.А. Бикулов [и др.]. - М.: Academia, 2009. - 351 с.
2. Корниенко, Э.Н. Разработка высокопрочных чугунов с повышенными специальными свойствами / Э.Н. Корниенко, М.С. Колесников. - Наб. Челны: Изд-во Камского политехн. ин-та, 1999. - 169 с.
Дата поступления в редакцию 30.03.2910
R.A. Bikulov, V.I. Astachenko, M.S. Kolesnikov, T.V. Fstaschenko
INFLUENCE OF SPHEROIDIZING MODIFICATION ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF THERMALLY TREATED AUSTENITE AND BAINAITE CAST IRON
The possibility of applying low nickel and low magnesium modificeres for high-test cast iron producing is shown. Mechanical properties of the derived cast iron are on a high level.
Cast iron alloying by nickel, copper and molybdenum and also isothermal annealing promotes hardening and harden ability of alloy.
Key words: High-test cast iron, spheroidizing modifiers, austenite process, isothermal annealing, quenching circumstances, microstructure of metal foundation, graphite inclusions, mechanical properties.
