CC BY
39
УДК 620.179.14
Формирование свойств серых чугунов
при применении аэротермоакустической обработки
В. Н. Усков, Г. А. Воробьева
Одной из главных задач машиностроения является повышение качества и эксплуатационных свойств изделий при уменьшении затрат на их производство, в том числе улучшения качества изделий из чугуна. Чугуны (серые, ковкие, высокопрочные) обладают высокой демпфирующей способностью (способностью гасить упругие механические колебания), теплопроводностью, хорошими литейными свойствами, невысокой себестоимостью производства. Поэтому чугуны — широко распространенные машиностроительные материалы. Основными недостатками их являются низкая пластичность и вязкость, что связано в том числе с их структурой.
Структура серого чугуна состоит из металлической основы и графита в форме пластин. Свойства чугуна зависят от этих двух структурных составляющих. Количественное соотношение основы и графита, его форма и размеры влияют на механические свойства чугуна. С увеличением количества и размеров пластинчатого графита свойства чугуна резко ухудшаются, так как графит обладает низкими механическими свойствами, поэтому приближенно его можно считать надрезом на металлической основе. При растягивающих напряжениях на концах пластинчатых включений графита образуются центры разрушения — микротрещины. Коэффициент концентрации напряжений К около включений графита пластинчатой формы составляет 4,0-7,5 (К = 4 для серого чугуна на перлитной основе, пластичность его равна 5 = 0,2 ^ 0,75 %), а около включений графита шаровидной формы 2,53,5. Более высокие свойства чугуна при напряжениях сжатия и изгибе, так как предел прочности на сжатие определяется преимущественно металлической основой. Уровень физико-механических свойств серых чугунов часто оказывается недостаточным (серые чугу-ны имеют пластичность = 0 %) (рис. 1). Более высокими механическими свойствами обладают чугуны с вермикулярным, хлопьевидным и шаровидным графитом, первый из которых присутствует в чугунах с аналогичным назва-
нием, второй и третий — в ковких и высокопрочных чугунах соответственно. Для верми-кулярного графита характерны извилистая форма и прерывистое строение, равномерное расположение и небольшая разница между длиной и шириной включений. Вермикуляр-ный графит получают путем обработки исходного расплава модификаторами (используется лигатура состава Ее—81—М§—Т1—Се—Са, содержащая 5-7 % магния). Чугуны с такой формой графита имеют повышенную теплопроводность по сравнению с шаровидным графитом, меньшую склонность к дефектам усадочного происхождения.
В целях повышения механических свойств серых чугунов использовались различные схемы низкой и высокотемпературной термоциклической обработки (ТЦО). Низкотемпературная ТЦО с нагревом до 650 °С с последующим охлаждением в воде (количество циклов до 40) приводит к дроблению зерен феррита и цементитных пластин, что обеспечивает повышение твердости и прочности чугуна, но не влияет на пластичность [1].
Высокотемпературную ТЦО (ВТЦО) применяли для сфероидизации графита в сером чугуне по режиму: циклический нагрев до 900,
Рис. 1. Микроструктура серого чугуна (исходное состояние), х500
новые материалы и технологии производства
ЕТАПЛООБРАБОТК]
930 °С, выдержка при температуре нагрева 10 мин, охлаждение на воздухе до 600 °С, число циклов не более 20. В результате ВТЦО происходит формоизменение графита. С увеличением числа циклов твердость чугуна снижается. Максимум модуля изгиба наблюдается при 3-4 циклах [1].
Для сфероидизации графита в сером чугуне изучалась возможность использования АТАО. Ранее выполненные работы показали возможность ускорения диффузионных процессов при применении АТАО [2].
Аэротермоакустическая обработка (АТАО) материалов относится к числу комбинированных средств воздействия на материалы. При ее проведении осуществляется воздействие температурных и акустических полей в целях формирования свойств материалов в желаемом направлении как во всем объеме, так и в поверхностном слое благодаря образованию поверхностных оксидных структур или применению АТАО после одного из видов химико-термической обработки
АТАО, как упрочняющая обработка, представляет собой организованную определенным образом термообработку в мощном акустическом поле звукового диапазона частот при одновременном воздействии потока газа в диапазоне скоростей от десятка до сотен метров в секунду. При этом охлаждение металла может проводиться до отрицательных температур в расширяющемся потоке газа, т. е. дополнительно реализуется криогенная обработка.
Специальное технологическое оборудование для АТАО включает газоструйный генератор звука (ГГЗ), в резонаторе которого происходит охлаждение деталей.
Основными операциями в технологии АТАО являются нагрев деталей (заготовок) до определенных температур и последующее охлаждение, включая криогенное воздействие, в мощном акустическом поле звукового диапазона дискретных частот с уровнем звукового давления 150-170 дБ в потоке газа [2, 3].
Исследование влияния АТАО проводилось на чугуне марки СЧ20.
Химический состав чугуна СЧ20 (ГОСТ 1412-85), % (мас.)
Углерод.................3,3-3,5
Кремний.................1,4-2,4
Марганец................0,7-1,0
Фосфор, не более......................0,2
Сера, не более..........................0,15
Механические свойства чугуна СЧ20 (ГОСТ 1412-85)
ов, МПа...................200
ов, МПа, при Д менее 10 мм.....220
НВ, не более................240
Структура чугуна: металлическая основа феррит + перлит, графит пластинчатой формы, крупные пластины графита расположены неравномерно преимущественно на фоне феррита.
АТАО образцов осуществлялась по схеме: нагрев до 900-920 °С, выдержка в печи 10 мин, часть образцов охлаждалась на воздухе, остальные в установке для АТАО, время обработки в установке 10 мин, число циклов — 2.
Режимы обработки, механические свойства после АТАО и в исходном состоянии приведены в табл. 1.
Как видно из данных, приведенных в табл. 1, АТАО обеспечивает при двух циклах обработки повышение пластичности чугуна до уровня, характерного для чугуна с вермикуляр-ным графитом (ЧВГ 30 имеет 5 = 3 %),при сохранении прочности, что позволяет использовать его для изделий, работающих при более жестких режимах нагружения. Повышение пластичности определяется частичной сферо-идизацией графита, появлением хлопьевидного графита, особенно на концах графитных включений, сохраняющих пластинчатую форму. В этом случае графит значительно в меньшей степени играет роль концентратора напряжений (рис. 2, а). В результате обработ-
Таблица 1
Режимы обработки и свойства чугуна СЧ20 после АТАО
Номер режима обработки Режим обработки Механические свойства Структура чугуна
Температура нагрева, °С, время выдержки, мин Среда охлаждения Время охлаждения, мин Число циклов НВ МПа 5, %
1 900, 10-15 мин Воздух - - 200 230 0,5 Феррит + перлит, графит пластинчатой формы
2 900, 10-15 мин АТАО 10 2 210 240 3 Феррит, перлит, графит измельченный, ластинчатой формы, частично сфероидизиро-ванный
а)
ЩЯ V' ^Р Л 1 .ш. * Т1 ж „^Ь » %
N ^ ^ ^ Шт ^
у дИЯь'У
И
! ■ 1 ■■■ ■ >. > 9». Ер V
б)
Рис. 2. Микроструктуры серого чугуна: а — АТАО-2; б — АТАО-3, х600
ки наблюдаются и измельчение пластинок цементита в перлите, частичная его сферо-идизация. Графит, расположенный на фоне феррита, имеет меньшие размеры. Процесс изменения формы графита в сером чугуне протекает ускоренно при проведении АТАО, что может быть связано с действием тех же факторов, которые ускоряют протекание процесса графитизации в ковком чугуне, т. е. определяться протеканием процесса микропластической деформации.
Известно, что физико-химические процессы протекают путем разновременного перехода отдельных частей системы через возбужденное (или активировнное) состояние. Части системы в таком состоянии называются активированными комплексами. Избыток энергии активированного комплекса по сравнению с исходным равновесным состоянием представляет собой энергию активации. Согласно классической теории комплексы (атомы, мо-
лекулы или группы атомов) не могут перейти из начального в конечное состояние без преодоления активационного барьера.
Минимумы свободной энергии соответствуют двум равновесным состояниям — исходному и конечному. Энергия активации характеризуется энергетическим барьером. Способность системы перейти из одного состояния в другое может быть выражена площадью энергетического барьера. Ширина барьера характеризует необходимую длительность пребывания комплексов в активированном состоянии. Вероятно, что АТАО является тем внешним воздействием, которое обеспечивает системе переход в активированное состояние с уменьшенной длительностью пребывания комплексов в активированном состоянии, повышает активность углерода в аустените. Проведение АТАО в процессе охлаждения чугуна с температуры 900 °С способствует образованию графита хлопьевидной и частично шаровидной формы, в том числе пластинчатого графита.
При АТАО серых чугунов образовались фазы, нетипичные для чугунов. Металлографическое исследование показало присутствие в центре включений свободного хлопьевидного графита «светлых пятен». Микротвердость «светлых пятен» значительно выше твердости графита. В работе [4] в центре шаровидного графита высокопрочного чугуна экспериментально было выявлено наличие насыщенного модификаторами «светлого пятна» с высокой твердостью. Высказано предположение, что формирование шаровидного графита имеет фуллереновую природу. Следовательно, с большой долей вероятности можно предположить, что «светлые пятна» на снимках представляют собой эндоэдральные фуллереновые комплексы, образующие фрактальные агрегаты (с размером до 7 мкм) [5].
На образцах чугуна в исходном состоянии и подвергнутых АТАО по режиму 2, микроструктура которых представлена на рис. 1 и 2, а, замерялись микротвердость. Для определения микротвердости и модуля упругости использовался «Наноскан-3Б» (производитель ФГБНУ «ТИСНУМ»). В качестве ин-дентора использовали трехгранную алмазную пирамиду Берковича. Диапазон нагрузки 100-140 000 мк Н. Модуль Юнга определяли методом наноиндентиравания (по кривым изменения зависимости глубины внедрения индентора от приложенной нагрузки). Значения микротвердости и модуля упругости представлены в табл. 2. Микротвердость образцов чугуна измеряли: на участках феррита, перлита и пластинчатого графита (исход-
136
№ 4(70)/2012
новые материалы и технологии производства
ЕТАПЛООБРАБОТК.
Значения микротвердости и модуля упругости чугунов
ное состояние); после АТАО дополнительно на участках сфероидизированного графита и графита, в центре которого находятся «светлые включения».
Низкие значения микротвердости соответствуют микротвердости графита, средние — феррита + графита; высокие — феррита + + цементита +графита (исходное состояние) и феррита + цементита + графита, в центре которого находятся «светлые включения» (после АТАО).
Значения микротвердости чугуна во всех интервалах после АТАО выше, чем в исходном: в низком и среднем интервалах значений микротвердости в 3-5 раз, в высоком в 2-2,5 раза . По значениям модуля упругости наблюдается обратная картина в интервале низких значениий микротвердости: фазы, имеющие большие значения микротвердости после АТАО, обладают меньшими значениями модуля упругости. В области средних значений максимальное значение модуля упругости фаз после АТАО в 2 раза превышает значение этого параметра для чугуна в исходном состоянии. В области высоких значений микротвердости модули упругости имеют близкие значения. Модуль упругости СЧ20 находится в пределах 85-115 ГПа.
Перечисленные выше изменения структуры чугуна, имеющие место при проведении АТАО, позволяют использовать эту обработку для повышения механических свойств серого чугуна, являющегося широко применяемым материалом для получения отливок.
Таблица 2
Выводы
1. АТАО серых чугунов позволяет формировать структуру, изменяя форму графита (происходит частичная его сфероидизация); при этом наблюдается рост пластичности до значений, соответствующих пластичности чугуна с вермикулярным графитом.
2. Ускорение диффузионных процессов при проведении АТАО чугунов по сравнению со скоростью этих процессов в условиях стандартной термической обработки обусловлено протеканием микропластической деформации в процессе обработки.
3. При АТАО в серых чугунах образуются фазы, отличающиеся по значениям микротвердости и модулю упругости от фаз, присутствующих в чугуне в исходном состоянии.
Литература
1. Федюкин В. К., Смагоринский М. Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение, 1989. С. 255.
2. Воробьева Г. А., Складнова Е. Е. Леонов А. Ф., Ерофеев В. К. Инструментальные материалы. СПб.: Политехника, 2005. С. 258.
3. Воробьева Г. А., У сков В. Н. Аэротермоакустическая обработка сталей и сплавов. СПб.: БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2012. С. 130.
4. Жуков А. А. О формах существования углерода в чугунах // МиТОМ. 1992. № 11. С. 34.
5. Давыдов С. В. Новые технологии модифицирования чугунов // Металлургия машиностроения. 2010. № 1. С. 8-12.
Интервал значений Микротвердость, ГПа Количество точек Модуль упругости Е, ГПа
параметров микротвердости и модуля упругости в исходном состоянии после АТАО определения * параметров в исходном состоянии после АТАО
Низкие 0,06-0,1 0,22-0,58 3/8 69,5-81,4 13,7-46,1
Средние 0,16-0,23 0,82-1,84 5/10 42,2-117,7 28,3-229,1
Высокие 0,81-0,93 1,96-2,27 3/4 60,7-166,2 78,4-153,2
* Перед косой чертой количество замеров твердости чугуна в исходном состоянии, за чертой — на образце после АТАО.
