CC BY
33
гггтгг^ г: п:гт(Т/7/;гггггггт /»
-а (58). 2010/ U U
It is shown that graphitized steels in some cases due to its intermediate disposition by structure and characteristics among low-carbon steels and cast irons, can provide the necessary combination of characteristics of construction material and consequently to increase safety and durability of details of metallurgical and machine-\^building industry machines.__
И. В. АКИМОВ, И. П. ВОЛЧОК, А. А. МИТЯЕВ, Запорожский национальный технический университет, Н. А. СВИДУНОВИЧ, Д. В. КУИС, С. Е. БЕЛЬСКИй, БГТУ, А. П. МЕЛЬНИКОВ, М. А. САДОХА, ОАО «БЕЛНИИЛИТ»
УДК 621.74
ГРАФИТИЗИРОВАННЫЕ СТАЛИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
К графитизированным сталям относятся, как правило, заэвтектоидные сплавы, в которых часть или весь углерод находится в виде графитных включений. Благодаря включениям графита, выполняющего роль смазочного материала и способствующего повышению теплопроводности, стали находят применение в качестве износостойких материалов (штампы для холодной штамповки, волочильный инструмент, била, шары и бронефуте-ровочные плиты угольных мельниц, кожуха и лопасти дробеструйных аппаратов, сопла пескоструйных аппаратов и др.), а также для изготовления деталей, работающих при термоциклических нагрузках (кокили, изложницы, стеклоформую-щий инструмент, детали печного оборудования и др.). С учетом хорошей демпфирующей способности, малой чувствительности к концентраторам напряжений и сравнительно высоким механическим свойствам графитизированные стали с успехом заменяют высокопрочный чугун, углеродистые и низколегированные стали при изготовлении ответственных деталей механизмов и машин.
Согласно [1], основными легирующими элементами в графитизированных сталях являются углерод (1,2-1,6%), кремний (0,75-2,5%) и марганец (0,2-1,2%). Находят также применение никель, молибден, медь, алюминий, титан [2, 3]. Стали указанного выше состава обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой и низкой склонностью к образованию горячих и холодных трещин. Термическая обработка сталей состоит, как правило, из двух этапов: отжига при 850-950 °С для распада вторичного цементита и образования графитной фазы и отжига при 700-780 °С для формирования структуры металлической основы. В результате соответствующих технологических приемов (ков-шевое модифицирование, увеличение содержания
кремния и др.) удается достичь полной графитиза-ции сверхэвтектоидного углерода и получить структуру перлит - графит без применения термической обработки.
Как отмечалось выше, графитные включения придают графитизированным сталям антифрикционные свойства, повышают их демпфирующую способность и снижают чувствительность к концентраторам напряжений. С другой стороны, с увеличением количества графитной фазы снижаются показатели прочности и пластичности. В работе [4] выполнена оценка влияния графитной фазы на механические свойства сплавов с возрастающим содержанием углерода. Между количеством графита и прочностью сплавов наблюдались прямолинейные зависимости: увеличение содержания углерода от 0,48 до 4,02% и соответственно количества графитных включений от 2,1 до 12,3 об.% привело к снижению предела прочности с 652 до 168 МПа при комнатной температуре; с 511 до 152 МПа и со 155 до 48 МПа при температурах 500 и 700 °С соответственно. Показатели твердости при этом снизились с НВ220 до НВ121 (рис. 1).
Количество графитной фазы оказало существенное влияние на интенсивность изнашивания в условиях трения металл по металлу с проскальзыванием при нагрузке 50 Н: с увеличением содержания углерода и уменьшением расстояния между включениями графита интенсивность изнашивания снижалась. При расположении графитной фазы в виде дендритных колоний, когда расстояния между включениями практически сведены до минимума, интенсивность изнашивания была минимальной, что можно объяснить смазывающим действием графита. При повышении содержания углерода свыше 2,5% наблюдалось снижение износостойкости, что связано с охрупчиванием и выкрашиванием металла возле крупных включений графита.
шиИ г: гл^ггтллтгггггт
4 (58), 2010-
Рис. 1. Влияние углерода на предел прочности аВ при 20, 500 и 700 °С на твердость НВ и износостойкость О железоуглеродистых сплавов
Несколько иные результаты получены при испытаниях на трещиностойкость (рис. 2). С увеличением содержания углерода до 1,51% вязкость разрушения К1С при температуре 20 °С оставалась неизменной, при 500 °С - снижалась незначительно; более высокие концентрации углерода приводили к резкому снижению этого показателя. При температуре испытаний 700 °С имела место линейная обратно пропорциональная зависимость между содержанием углерода и К1С .
В целом представленные выше результаты показывают, что графитизированные нелегированные стали по прочности, твердости, вязкости разрушения и износостойкости примерно в 2 раза превышают аналогичные показатели серых и высокопрочных чугунов.
Дальнейшее повышение механических и служебных свойств графитизированных сталей может быть достигнуто в результате легирования. В работе [2] исследовали влияние легирования Мп, Сг, № и Мо на структуру и механические свойства графитизированных сталей, модифицированных алюминием. С этой целью в 120-килограммовой индукционной печи с основной футеровкой выплавляли стали с базовым химическим составом: 1,38-1,40% С; 0,85-0,90% Si; 0,26-0,28% А1; 0,029-0,031% Р; 0,022-0,027% S. Содержание ле-
Рис. 2. Влияние углерода на вязкость разрушения К1С железоуглеродистых сплавов при 20, 500 и 700 °С
гирующих элементов изменяли в диапазонах, приведенных в таблице. Жидкий металл разливали в сухие песчано-глинистые формы. Полученные отливки подвергали графитизирующему отжигу при 850 °С в течение 3 ч с последующим сферо-идизирующим отжигом, предусматривающим аоу-превращение. Как показал металлографический анализ, во всех вариантах сталей включения графита имели вид мелких (10-40 мкм) равномерно распределенных выделений шаровидной и вермикулярной формы (рис. 3, а), при этом металлическая матрица практически полностью была представлена зернистым перлитом (рис. 3, б). С увеличением содержания легирующих элементов монотонно возрастали прочность, твердость и условный предел текучести при одновременном снижении относительного удлинения (см. таблицу).
Такое изменение свойств можно объяснить твер-дорастворным упрочнением металлической матрицы легирующими элементами. Критический коэффициент интенсивности напряжений изменялся от 33,9 до 40,6 МПа • -\/м и имел максимальное значение для стали 3-го варианта, комплекснолегирован-ной 0,8% Мп, 0,3% Сг и 1,2% №.
Содержание легирующих элементов в составе графитизированных сталей и механические свойства
Вариант стали Количество легирующих элементов, % Механические свойства
Мп Сг N1 Мо аВ, МПа а02, МПа 8,% НВ К1С I I а у/Т
1 0,80 - - - 418 288 8,3 195 33,9
2 0,80 0,30 - - 582 334 7,6 197 38,3
3 0,80 0,30 1,2 - 697 348 7,5 217 40,6
4 1,80 0,30 1,2 - 775 433 5,0 241 39,8
5 1,80 0,30 1,2 0,32 917 479 4,5 255 36,6
6 1,80 0,60 1,2 0,32 920 525 3,0 255 34,7
АГГГ^ г: гл^ггтлл ттггггт / 47
-а (58), 2010 / чМш
Рис. 3. Типичная структура сталей после термической обработки: а - нетравленные. х100; б - травленные. х500
Таким образом, легирование марганцем, хромом, никелем и молибденом повышает механические свойства графитизированных сталей в результате твердорастворного упрочнения. Установлено, что графитизированная сталь состава 1,381,40% С; 0,85-0,90% Si; 0,7-0,8% Мп; 0,25-0,3% Сг; 1,0-1,2% №; 0,25-0,28% А1; 0,029-0,031% Р; 0,022-0,027% S после графитизирующего и последующего сфероидизирующего отжигов имела вязкость разрушения К1С = 40-45 МПа • у/м , что практически в 1,5 раза превышает аналогичные характеристики феррито-перлитных высокопрочных чугунов.
Выводы
Приведенные результаты показывают, что гра-фитизированные стали в ряде случаев благодаря своему промежуточному расположению по составу и свойствам между низкоуглеродистыми сталями и чугунами могут обеспечить необходимое сочетание свойств конструкционного материала, например теплопроводности и прочности - для металлических форм, сопротивление изнашиванию -для деталей, работающих в условиях сухого трения, и, следовательно, повысить надежность и долговечность деталей машин металлургической и машиностроительной промышленности.
Литература
1. Т о д о р о в Р. П., Н и к о л о в М. В. Структура и свойства отливок из графитизированной стали. М.: Металлургия, 1976.
2. А н д р е й к о I., В о л ч о к I., О с т а ш О. и др. Мщтсть та циктчна трщиностшюсть низьколегованих графпизованих сталей // Механжа руйнування матер1ал1в [ мщтсть конструкцш: Зб. наук. праць. Льв1в ФМ1, 2004. С.691-696.
3. Я к о в л е в А. Ю., В о л ч о к И. П. Материалы для изготовления металлических форм // Литье и металлургия. 2007. № 4. С. 118-121.
4. К о л о т [ л к [ н О. Б. Розробка матер1ал1в для склоформувального устаткування з урахуванням ди ситкатних розплав1в: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Льв1в, 2004.
