CC BY
297
УДК 669.131.7.001.5
ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ ТЕРМООБРАБОТКИ
Р.Ю. Зенкин, М.М. Уткин, А.И. Вальтер
Приведены результаты экспериментального исследования механических свойств высокопрочного чугуна ВЧ 60 на основе изучения микроструктуры при закалке и последующим отпуске.
Ключевые слова: высокопрочный чугун, шаровидный графит, микроструктура, механические свойства, термообработка, твердость
Прочностные свойства чугуна определяются структурой металлической основы, а также формой и размерами графита. Влияние структурных и фазовых составляющих матрицы на механические свойства чугуна аналогично стали. Влияние графита в наибольшей степени определяется его формой.
Шаровидная форма включений графита является наиболее компактной, она имеет наименьшее отношение поверхности включений к их объему, в результате чего рабочее сечение отливки ослабляется в меньшей степени, а концентрация напряжений на включениях графита практически отсутствует. При такой форме включений графита резко возрастают не только прочностные, но и пластические свойства чугуна. Поэтому чугун с шаровидным графитом, как конструкционный материал ценен не столько прочностью, сколько пластичностью и вязкостью [2].
Улучшение механических свойств, т.е. снижение твердости и улучшение обрабатываемости отливок, снятие внутренних (остаточных) напряжений, исправление неудовлетворительной первичной литой структуры (отбела), а также формирование заданной микроструктуры чугуна не свойственно литому состоянию [1].
Так как при получении первичной литой структуры невозможно получить все требуемые прочностные характеристики материала, были разработаны, а затем исследованы процессы термической обработки для изменения микроструктуры литого чугуна. С целью влияния на изменение микроструктуры были выбраны пять наиболее часто используемых видов термообработки:
низкотемпературный отжиг для снятия внутренних напряжений. Выдержка в 1 ч. при температуре 400-600 °С, с последующим остывании на воздухе;
графитизирующий отжиг. Для частичного снятия цементитных включений. Нагрев до температуры 950 °С в течение 1,25 ч, затем охлаждение с печью до температуры 770 °С, с последующей выдержкой в тече-
ние 1 ч. Затем охлаждение с печью до температуру 680 °С в течение 1 ч с последующей закалкой в воде;
закалка. Нагрев до температуры 900...1100 °С с последующей выдержкой в течение 2 ч, после закалка в воде;
закалка и отпуск. Нагрев до температуры 900.1100 °С с последующей выдержкой в течение 2 ч, после закалка в воде. Затем нагрев до температуры 600 °С и выдержкой 2,5 ч с последующим остывании на воздухе;
графитизирующий отжиг. Для частичного снятия цементитных включений. Нагрев до температуры 950 °С в течение 1,25 ч, затем охлаждение с печью до температуры 770 °С с последующей выдержкой в течение 1 ч. Затем охлаждение с печью до температуры 680 °С в течение 1 ч с последующим остывании на воздухе.
Для изготовления высокопрочного чугуна требуется произвести выбор плавильного агрегата и расчет шихтовых материалов [3]. При получении литых образцов была выбрана индукционная тигельная печь ИТЧ-6.
Размеры образцов 20х20х15 мм. Для последующего микроскопического анализа был выбран горизонтальный металлографический микроскоп МИМ-8М, оснащенный цифровой фотокамерой DCM500.
В данной работе приведены результаты по одному виду термической обработки - закалка с последующим отпуском.
Закалка заключалась в нагреве чугуна выше критических температур формирования аустенитной структуры, насыщении ее углеродом и последующем охлаждении с повышенной скоростью, которое предотвращает выделение феррита или перлитное превращение. Переохлажденный аусте-нит в этом случае полностью или частично превращается в бейнит или мартенсит. Нагрев до температуры 900.1100 °С с последующей выдержкой в течение 2 ч, после закалка в воде. На рис.1 и 2 приведена микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в исходном литом состоянии.
Рис. 1. Структура чугуна Рис. 2. Структура чугуна
до закалки после травления до закалки
Согласно имеющимся данным образец (рис.1) соответствует клас-
сификации: по структуре, форме, размеру графита: ШГф3 (компактная); ШГд45 (диаметр включений); ШГр2 (неравномерное); ШГ4 (% количество включений). По типу матриц: П45 (Ф55).
После закалки произошло изменение микроструктуры. Видно, что перлит перешел в бейнит. Заметны мелкие крапины цементита. Соответственно произошло изменение твердости чугуна. Вид микроструктуры образца после закалки приведен на рис. 3.
Закалка высокопрочных чугунов совместно с отпуском обеспечивает повышение прочности, вязкости и износостойкости.
Режим отпуска был проведен для снятия термических и литейных напряжений, а также формирования такой структуры металлической основы чугуна, которая обеспечивает оптимальное сочетание прочности и вязкости чугуна. Отпуск проводился в режиме: нагрев деталей (отливок) до температур 200...600 °С, выдержка при этой температуре в течение 0,5...4 ч и последующее охлаждение на воздухе. Микроструктура чугуна после закалки и отпуска приведена на рис. 4.
Рис. 3. Структура чугуна Рис. 4. Структура чугуна
после закалки после закалки и отпуска
На рис. 5 и 6 приведены виды микроструктуры литого чугуна, подвергнутого травлению и после высокотемпературного отжига.
Рис. 5. Структура чугуна Рис. б.Структура чугуна
до высокотемпературного отжига после высокотемпературного после травления отжига
Согласно данным образец после высокотемпературного отжига соответствует классификации: по структуре, форме, размеру графита: ШГ ф4
(шаровидная неправильная); ШГд45(диаметр включений); ШГр1 (равномерное); ШГ10(% количество включений). По типу матриц - П45(Ф55).
После закалки и отпуска произошло заметное изменение микроструктуры. Установлено, что перлит превратился в мелкодисперсный сорбит. Соответственно произошло изменение твердости. Данные по измерению твердости двумя методами, полученные в результате различных видов термообработки, приведены в таблице.
Таблица твердости по Бринеллю и Роквеллу
Вид термообработки Бринелль, НВ Роквелл, НКС
Низкотемпературный отжиг 229 21
Высокотемпературный графитизирующий отжиг с последующим охлаждением в воде 120 9
Высокотемпературный графитизирующий отжиг с последующим остывании на воздухе 200 12
Закалка 495 40
Закалка и отпуск 272 18
Таким образом, по результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Согласно проведенным экспериментам требуемый уровень механических свойств высокопрочного чугуна ВЧ60 (твердость, прочность, износостойкость, вязкость и др.) достигается нагревом чугуна выше критических температур формирования аустенитной структуры, насыщения ее углеродом и последующим охлаждением с повышенной скоростью, которое предотвращает выделение феррита и с последующим перлитным превращением.
2. В результате термообработки литой структуры закалкой и последующим высокотемпературным отжигом переохлажденный аустенит полностью или частично превращается в бейнит, который и обеспечивает, требуемую твердость и пластичность чугуна.
Список литературы
1. Производство отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / А.И. Беляков [и др.]; под ред. А.И. Белякова. М.: Машиностроение, 2010. 435 с.
2. Мургаш М.И, Чаус А.С., Покусова М. К. Выбор химического состава высокопрочного чугуна // Литейное производство. М.: Машино-
строение. 1999. №3. С. 14-17.
3. Рубинштейн Э.Г., Зайцев М.В. Оптимизация состава шихты и свойств высокопрочного чугуна // Литейное производство. М.: Машиностроение. 1989. №10. С. 14-15.
Зенкин Р.Ю., аспирант, valter.alex@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский
государственный университет,
Уткин М.М., студент, valter.alex@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский
государственный университет,
Вальтер А.И., д-р техн. наук, проф., valter.alex@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE MICROSTRUCTURE OF HIGH-STRENGTH CAST IRON WITH VARIOUS METHODS OF HEA T TREA TMENT
R.J. Zenkin, M.M. Utkin, A.I. Walter
The results of the experimental study of mechanical properties high-strength cast iron RF 60 on the basis of the study of the microstructure by quenching and subsequent vacation.
Key words: high-strength cast iron, spherical graphite, microstructure, fur-technical properties, heat treatment, hardness
Zenkin Р.Ю., postgraduate, valter.alex@rambler.ru, Russia, Tula, Tula state University,
Utkin MM, student, valter.alex@rambler.ru, Russia, Tula, Tula state University,
Walter A.I., doctor of technical Sciences, Professor, valter.alex@rambler. ru, Russia, Tula, Tula state University
