CC BY
45
УДК 621.78
ВПЛИВ ПРИСКОРЕНОГО НАГРІВАННЯ ДО СУБКРИТИЧНИХ ТЕМПЕРАТУР НА СТРУКТУРУ ЧАВУНУ З ВЕРМИКУЛЯРНИМ
ГРАФІТОМ
Л.Л. Костіна, доцент, к.т.н., О.В. Слєпцов, студент, ХНАДУ
Анотація. Досліджені структурні та фазові перетворення в високоміцних чавунах з вермикулярним графітом в процесі прискореного нагрівання. Показано, що час та напрям проходження всіх перетворень визначаються не тільки температурою і тривалістю нагрівання, але й вихідною хімічною неоднорідністю.
Ключові слова: високоміцний чавун, хімічна неоднорідність, структура, субкритичний інтервал, перетворення.
Вступ
В практиці сучасного автомобіле- і
машинобудування широко використовують високоміцні чавуни (ВЧ). Технологічний процес виготовлення деталей з ВЧ більш простий та економічний, ніж процес
виготовлення їх із сталі; а чутливість до концентраторів напружень та ударних
навантажень у чавунів
значно менша, ніж у сталей. Термічна обробка високоміцних чавунів дозволяє мати необхідний рівень властивостей, що забезпечує надійну роботу деталей в самих різних умовах експлуатації. Найбільш поширеними способами отримання
високоміцних чавунів є модифікування магнієвими лігатурами та лігатурами, що містять РЗМ. Проте в литому стані високоміцний чавун характеризується
розвиненою хімічною і структурною
неоднорідністю [1]. Термічна обробка, залежно від режиму, може привести до збільшення або зменшення ступеня неоднорідності металевої матриці чавуну. При виготовленні деталей існує ряд технологій, пов'язаних з прискореним
нагріванням (зварювання з різними швидкостями і в різних умовах, лазерна, вакуумна обробка та ін.). В залежності від швидкості нагрівання та інших умов дифузійні процеси можуть проходити з
більшою або меншою повнотою, можуть не встигати відбуватися; можлива зміна
напряму дифузії. Тому при прискореному
нагріванні високоміцних чавунів з вермикулярним графітом (ЧВГ) необхідне дослідження фазових і структурних
перетворень.
Аналіз публікацій
Дослідження фазових та структурних
перетворень в високоміцних чавунах дозволяє поділити їх на процеси, що проходять при субкритичних температурах (при температурах субкритичного інтервалу, тобто СКІ), при міжкритичних температурах (температурах міжкритичного інтервалу, МКІ) та надкритичних температурах (НКІ)
[1]. Те, що чавуни є багатокомпонентними сплавами разом з особливостями технологій їх отримання та модифікування утворює складні термодинамічні умови кристалізації
[2].
Тому характер, послідовність та швидкість фазових і структурних перетворень при твердінні чавунів та їх наступній термічній обробці залежать від умов отримання та умов проходження наступної обробки [3, 4].
Перетворення при прискореному нагріванні високоміцних чавунів, а саме високоміцних чавунів з вермикулярним графітом, докладно
не досліджували. В той же час прискорене нагрівання відбувається при різних процесах зварювання [5], сучасних технологіях обробки (лазерна, вакуумна та ін.), що використовують при отриманні і особливо при ремонті виробів з високоміцних чавунів.
Мета і постановка задачі
Метою цієї роботи було дослідити характер фазових та структурних перетворень в матриці ЧВГ при прискореному нагріванні. Конкретним завданням - дослідити перетворення в двох ЧВГ, отриманих різними способами, при двох різних швидкостях нагрівання, що відповідають найбільш поширеним способам зварювання.
Методика і результати дослідження
Досліджували ЧВГ 1, що отримали модифікуванням магнієвою лігатурою, і ЧВГ
2, що отримали модифікуванням рідкоземельними елементами (РЗМ) (табл. 1).
Таблиця 1 Хімічний склад досліджених чавунів
У вихідному стані він має перлито-ферритну структуру металевої матриці (до 70% перлиту), 80% графіту вермикулярної форми і до 20% графіту кулястої форми. Ферит розташований у вигляді облямівок навкруги графітних включень. Вуглецем і марганцем збагатили перлитні ділянки, особливо по границях евтектичних зерен. Розподіл кремнію відповідає схемі змішаної ліквації, із збагаченням центральних частин евтектичного зерна навкруги графітних включень (ферит) і евтектичних границь (перлитні ділянки).
Критичні точки ЧВГ 2 складають: АСін 770 - 775 °С, Асік 890 - 900 °С. Вихідна
структура чавуну феррито-перлитна, до 20% перлиту, розташованого по границях евтектичних зерен. Графітні включення достатньо розвинені, тому для цього чавуну характерний великий ступінь хімічної і структурної неоднорідності. Евтектичні границі збагачені вуглецем і марганцем, а кремній збагачує центральні ділянки евтектичних зерен.
Процеси, що відбуваються при прискореному нагріванні, вивчали при нагріві в емісійному мікроскопі EF-6 (швидкість нагріву
10 - 15 °С/с, швидкість охолоджування 30 -60 °С/с), який з достатньою наближеністю відповідає електродуговому зварюванню в атмосфері вуглекислого газу [5]. Одержували зображення холодної поверхні зразка до і після нагріву, в пучку вторинних електронів; безпосереднє зображення нагрітої поверхні за рахунок термоелектронної емісії; вивчали структуру зразків після емісійного мікроскопа в металографічному мікроскопі. Для дослідження використовували зразки діаметром 9 мм і завтовшки 1 мм, на одній з поверхонь яких були виготовлені мікрошліфи.
Дослідження процесів в умовах вакууму пов’язано з так званим поверхневим ефектом: неминучим прискоренням всіх
процесів, що відбуваються, на границі метал - вакуум, зниженням температур плавлення, рекристалізації та інших перетворень в металі, в спрямуванні атомів домішок, особливо легких елементів (вуглецю, азоту, кисню), до поверхні зразка. Останнє ускладнює вивчення невибілених чавунів появою на поверхні зразка щільної графітної плівки, яку не завжди вдається видалити вакуумним насосом. Після дослідження в мікроскопі EF-6 зразки вивчали за допомогою оптичного мікроскопа.
В умовах звичайних швидкостей нагрівання в ЧВГ при субкритичних температурах відбувається сфероїдизація і розпад цементиту перлиту з відведенням вуглецю на графітні включення, а також відведення кремнію і вуглецю від евтектичних границь. За рахунок вакуумного ефекту частинки вуглецю, що утворилися в результаті розпаду перлиту, спливають на поверхню зразка, виявляючи цим ділянки найінтенсивнішого розпаду і шляхи пересування вуглецю.
ЧВГ Вміст елементів, %
С Si Мп Mg та РЗМ
1 3,3 -3,4 2,0 -2,6 0,65 0,03
2 3,3 -3,4 3,4 -3,7 0,6- 0,8 до 0,01Mg До 0,05 РЗМ
Для ЧВГ 1 критичні точки рівні:
Ас1н 770 - 790 °С, Ас1к 870 - 890 °С.
Найбільша кількість вторинного графіту спостерігається навкруги графітних включень (рис. і). Але можлива й переважна графітизація по евтектичних границях.
Напрям та інтенсивність руху вуглецю можуть бути різні в окремих зернах і ділянках зерна, що припускає вплив на рух вуглецю локального складу,
кристалогеометричної орієнтації, густини упаковки (рис. 2).
Рис. 2. Різні напрями руху графіту на поверхні зразка ЧВГ 1. Емісійний мікроскоп, х 300
Можливе більш інтенсивне пересування вуглецю по границях ферритних зерен, окремих зернах і фрагментах зерна. При подальшому дослідженні структури в оптичному мікроскопі видно, що ці фрагменти зерен дещо акцентовані.
Висновки
Наявність шляхів переважного пересування вуглецю при нагріванні приводить до збільшення хімічної неоднорідності в порівнянні з литим станом, що в свою чергу підвищує температури і збільшує інтервал аустенізації ЧВГ. В умовах прискореного нагрівання ці явища теж мають місце. Неоднорідність металевої матриці має значення при формуванні структур в процесі подальшого нагрівання.
Література
1. Петриченко А.М., Солнцев Л.А.
Повышение свойств магниевого чугуна // Высокопрочный чугун с шаровидным гра-фитом. - К.: Наукова думка, 1971. -
С. 77 -78.
2. Справочник по чугунному литью / Под
ред. Гиршовича Н.Г. - Л.:
Машиностроение, 1978. - с.758.
3. Солнцев Л.А., Костина Л.Л., Кропивный
В.Н. Пути упрочнения нового конструкционного материала - чугуна с вермикулярным графитом // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. -Запорожье, 1983. - С. 199.
4. Костина Л.Л., Солнцев Л.А., Савон А.И. О
фазовых и структурных превращениях в чугуне с вермикулярным графитом при нагреве // Известия АН СССР. Сер. Металлы. - 1983. - №2. - С. 93 - 94.
5. Грабин В.Ф., Денисенко А.В. Металловедение сварки низко- и среднелегированных сталей. - К.: Наукова думка, 1978 . - 270 с.
Рецензент: О.І. П’ятак, професор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 9 вересня 2008 р.
