CC BY
22
II ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
УДК 620.186: 669.131.7
Канд. техн. наук В. Г. 1ванов, канд. техн. наук В. С. Голтвяница Запорiзький нацiональний техычний унiверситет, м. Запорiжжя
МОРФОЛОГ1Я ГРАФ1ТУ У ЗАЕВТЕКТИЧНОМУ СИНТЕТИЧНОМУ
ЧАВУН1
Представлено дат проутворення кулястого графту в заевтектичних синтетичних чавунах, що виплавленi на шихтових матерiалах пiдвищеноi чистоти. Пiдтверджено, що вкраплення графiту в заевтектичному синтетичному високомiцному чавунi зростають за дендритним мехатзмом при висотй швидкостi кристал1зацИ. Морфологiчнi показники (фрактальнарозмiрнiсть, аспект, кулясткть) графiтових вкраплень, щоутворилися в синтетичному високомщному чавунi, мають бшьш висок значення вна^док бшьш розвинуто'1' поверхнi та високо'1' швидкостi кристалгзацИ.
Ключовi слова: синтетичний чавун, кулястий графiт, морфологiя, фрактальна розмiрнiсть, дендрит.
Вступ
Виготовлення високояшсних чавунних вилившв у сучасному ливарному виробнищга нерозривно по-в'язано з використанням електричних печей (дугових та щдукщйних), для яких характерна бшьша технологична гнучшсть. Серед багатьох переваг плавки у цих агрегатах особливу увагу привертае можлив1сть викорис-тання як шихти малощнних ввдходав машинобущвно! га-луз! (сталево! обр1з1, виачки, стружки та ш.) з метою отримання «синтетичних» чавушв. Унаслщок меншо! шлькосп арки, фосфору, водню, азоту, кисню, а також шших домшок та неметалевих вкраплень синтетичш чавуни в1др1зняються тдвищеними мехашчними та службовими властивостями, що дае змогу використо-вувати !х заметь легованих конструкцшних чавушв та навпъ сталей. У багатьох випадках стал! зашнюють ви-сокомщним чавуном з кулястим графиком, який отри-мують шляхом модифшування магтем, цер1ем, бар1ем та ш. елементами.
Але синтетичним чавунам також притаманна не-стаб!льтсть структури та властивостей внаслвдок схиль-носп до метастабшьного твердшня. Недостатня вив-чешсть мехатзм!в формування структури синтетичного чавуну та вщсутшсть загальноприйнято! гшотези утворення кулясто! форми графиту при модиф!куванш магшем дещо стримують масштаби використання цьо-го матер1алу для виготовлення високояшсних вилившв. Тому дослщження спрямоваш на встановлення механ-!зму утворення графиту кулясто! форми в синтетичних чавунах буде сприяти вдосконаленню технологи виготовлення вилившв 1 е актуальними для сучасного ли-варного виробництва.
Постановка задачi
Вивчали утворення кулястого графиту в синтетичному чавут, що виплавляли на шихтових матер1алах з мшмальною шльшстю шк1дливих домшок.
Огляд лггератури
Синтетичний чавун з устхом використовуеться у промисловосп вже понад сорок рошв. Роботи Н. Г Гир-шовича, В. С. Шушхша, П. П. Лузана, М. В. Жельшса, Д. П. 1ванова, Л. Б. Когана [1-4] сприяли вдосконален-ню ливарного виробництва та впровадженню синтетичного чавуну з пластинчатим графиком для виробництва р!зноматтних виливк1в вщповщального призначення. Синтетичний ковкий чавун широко застосовували та-кож для виливк1в зашрно! арматури [5, 6]. У наш час найб1льш дощльно використовувати синтетичш сплави для виробництва високояшсних чавушв з кулястим графитом, враховуючи низький вм1ст у них демодиф1ку-вальних домшок [2]. Так, вщомо [7], що для виготовлення автомобшьних вилившв на ВАЗ1 використовують синтетичний чавун з кулястим графиком, що виплавля-ють дуплекс-процесом: дугова тч - !ндукцшна тч. Особливосп модифшування синтетичних чавушв з метою сферовдизаци графпу представлен в роботах [8, 9]. Однак у цшому слщ вщзначити , що синтетичний чавун з кулястим графиком до тепершнього часу вивчений недостатньо. Особливо це стосуеться морфологи гра-фгтових вкраплень кулясто! форми в синтетичних чавунах, бо вщзначена вище чистота за домшками та газами суттево зм1нюе умови зародження та кристал!заци графиу. Ц дат досить обмежеш та часто носять фраг-ментарний характер. У щй робот вивчали вщмшносп
© В. Г. 1ванов, В. С. Голтвяница, 2015
бyдoви Ia poзпoдiлy гpaфiтовиx вкpaплeнь y сингетич-ниx чaвyнax, щo 6ули oтpимaнi з шиxтoвиx мaтepiaлiв mдвищeнoï чистоти.
Мaтерiaли i методи
В яюсп шиxIOвиx мaтepiaлiв для orpH^anm сингетич-нoгo чнвуну викopисIOByвaли спeцiaльнo ninrorc^em мe-тaлeвi фишти у вигляд цилшдав, дiaмeтpoм 30 мм Ia вио тою 20 мм. Тню тaблeтки oтpимyвaли нн npeci ПГ-iOO з 95 % пopoшкy зaлiзa (ПЖР 3.200.28, ГОСТ 9849-86) Ia 5 % мaлoзoльнoгo ^фпу бeз зв'язyвaльнoгo. Плнвку пpoвoдили у вiдкpитiй iцдyкцiйнiй пeчi зi спeцiaльнo ви-г0I0влeним гpaфiтовим сepдeчникoм в aлyндoвoмy тиглi, дiaмeтpoм 35 мм Ia висoтою i00 мм. Для дoвeдeння скга-ду чнвуну зн кpeмнieм виюpистовyвaли кpистaлiчний кpeмнiй (Kp i, ГОСТ 2i69-69). Для oIparanra кyлястoгo гpaфiтy викopистoвyвaли нiкeль-мaгнieвy л^т^у (i5 % Mg, 0,6 % Ce ), щo пoпepeдньo виготовляли з eлeк-тpoлiтичнoгo нiкeлю (Н-i, ГОСТ 849-97), пepвиннoгo мaгнiю (Мг 95, ГОСТ 804-93) Ia фepoцepiю (МЦ50Ж3 (Ж6) ТУ 48-4-280-9i) día бapieвим флюсoм (ТУ i7i4-462-05785388-20i0). Отpимaний мeIaл мяв тякий oстaтoчний xiмiчний склад (мнс. чнсткн, %): 4,59 C; 2,48 Si; 0,042 Mn; 0,042 Cr; 0,92 Ni; 0,472 Cu; 0,0i2 P; 0,005 S; 0,04 % Mg^.
Meтaлoгpaфiчний aнaлiз зpaзкiв чнвуну пpoвoдили з викopистaнням мiкpoскoпiв MIM-7 i «ZEISS. Epityp-2 ». Тaкoж дoдaткoвo oцiнювaли фpaктaльнy poзмipнiсть Ia iншi гeoмeтpичнi пapaмeтpи кyлястиx включeнь зн AO-пoмoгoю пpoгpaми Image Pro.
Експерименти
Kpистaлiчний кpeмнiй Ia нiкeль-мaгнieвy л^т^у дoдaвaли в piдкий чнвун фpaкцiйнo i пiсля зaсвoeння дoбaвoк вщб^нли пpoби мeтaлy зн дoпoмoгoю raap-цoвиx тpyбoк дiaмeтpoм 5 мм. Шим з вiдiбpaниx знгот-iвoк вигoтoвляли шлiфи для мeтaлoгpaфiчнoгo aнaлiзy. Зaeвтeктичний склад чнвуну вибиpaвся гавмисш для дoслiджeння видiлeння гpaфiIy у яюсп вeдyчoï фнзи.
Результата
Типoвi мiкpoстpyктypи синтeтичнoгo чнвуну нaвe-Aern га pис. i. Як i слад бyлo oчiкyвaти чистий Fe-C сплнв кpистaлiзyвaвся пepeвaжнo зн мeтaстaбiльнoю сисге-мoю, i ^нф^т мaйжe нe видiлявся (pис. i, а). ^и га-стyпниx дoбaвкax кpистaлiчнoгo кpeмнiю (ao 2,5 %) xa-paRIep кpистaлiзaцiï чнвуну змшюеться i пoчинae вiдпoвiдaти стaбiльнiй сисгаш (pис. i, б). Пpи дoбaвцi нiкeль - мaгнieвoï лiгaтypи чнвун кpистaлiзyeться зн змiшaним пoлoвинчaстим мexaнiзмoм з yтвopeнням гpaфiтy спoчaткy вepмикyляpнoï (pис. i, в), a гопм i кулясто1 фopми Ia лeдeбypитнoï мaтpицi ( pис. i, в).
Mara кiлькiсть дoмiшoк у чнвуш бyдe спpияти тому, щo к^вним чинoм мaгнiй бyдe йти ж га paфiнyвaння чнвуну, a га yтвopeння кyлястогo гpaфiтy. Вiдoмo, щo yтвopeння гpaфiтy, як пpaвилo, вщбугаеться га пoвepxнi poздiлy, i чим бiльшe дoмiшoк, тим бiльшe бу^ циx no-вepxoнь. Тoмy чнсто в синтeтичниx чaвyнax спoстepi-гаеться мeншa кiлькiсть вкpaплeнь гpaфiIy.
Кулясп вкpaплeння гpaфiтy були квaзiглoбyляpни-ми i являли сoбoю в пepepiзi бaгaтoкyтники. Meтодaми пoшapoвoгo шлiфyвaння встaнoвлeнo, щo ц1 бaгaтoкyт-ники уявляють сoбoю сeктopaльнi дeндpитнi yraope^ ня (pис. 2).
Зaстoсyвaння iмepсiйниx oб'ективiв виявилo, щo вкpaплeння гpaфiтy являють сoбoю h6o зpoстки дeкiль-eox куль, h6o тнк звнний «виpoджeний», «пiдipвaний» гpaфiт (pис. 3 в, г). Mopфoлoгiя тaкиx вкpaплeнь сутте-вo вiдpiзнялaся ввд включeнь кулястош гpaфiтy, щo сго-стepiгaеться в зaeвтeктичниx синтeтичниx чaвyнax npo-мислoвoï чнстоти (pис. 3, а, б).
¿■■ -' V Л ш^ВЁЩЁЁЁшш?»
Рис. 1. MiкpoсIpyкIypa зpaзкiв синIeIичнoгo чнвуну AiaHeIpoH 5 мм npn piзнoмy вмiсIi дoбaвoк кpистaлiчнoгo кpeмнiю Ia мaгнiю (oбpoблeнo штатем): а - пoчaIкoвий чнвун з 5 % вугтецю; б - той жe чнвун з дoбaвкoю 2,5 % кpeмнiю; в - той жe чнвун з дoдaткoвoю дoбaвкoю 0,5 % нiкeль-мaгнiевoï лiгaтypи (Mg зaлишкoвий 0,02 %); г - той жe чнвун з дoдaткoвoю дoбaвкoю i,0 % нiкeль-мaгнiевoï лiгaIypи (Mg зaлишкoвий 0,04 %)
а
пив
г
♦ ,
/
■ у
*
& ::
■ 1:
■ /
■ ' ннКЗо
./ |1Г»1пт|
10 цт
Рис. 2. Вкрапления кулястого граф1ту при послщовному шл1фуванш:
а - початковий стан; б, в, г - структури тсля послщовного шл1фування кроком 3-5 мкм
Таю неправильт вкраплення графпу шода пов'язу-ють або з агрегативним мехашзмом кристал1зацп графиту, або з так званим спотворенням, виродженням вкраплень графиту. Виродження кулястого графиту, що може спостертатися у заевтектичних чавунах, пов'язу-ють з тим, що у перенасиченому вуглецем розчиш графи зростае за дендритним мехашзмом, бо ввдсутнш отр матриц - аустениту [10], очищенням призматич-них граней ввд кисню та арки [11], досягненням критич-них розм1р1в радуса глобуля (7-20 мкм) та зростанням швидкосп охолодження ввд 20 до 350 °С/хв. [12].
Рис. 3. Типов1 вкрапленняя графпу кулясто! форми в заевтектичних чавунах:
а, б - включення графпу у промисловому синтетичному чавуш для виливка «Супорт» (х1м1чний склад, мас. частка, %:3,0 С, 4,09 81; 0,06 Мп; 0,04 Р; 0,02 8; 0,02 N1; 0,03 Сг); в, г - включення графпу у синтетичному дослщному чавуш
У нашому випадку швидк1сть охолодження була та-кож досить високою 1 знаходилась якраз у таких межах (до 350 °С/хв.). Вмют йрки був на низькому р1вт (0,005 %).
Обговорення
Введення у синтетичний чавун сферо!дизуючих модиф1катор1в спочатку створюе додатков1 поверхш роздши та виникае ефект 1нокуляци. Внаслвдок того, що
а
б
в
в
г
г
таких цен^в буде небагато (фракцiя модифжатора близько 1 мм), утворюються не поодинок включения графиту, а зростки з декшькох куль. Однак щ зростки ку-лястих вкраплень зростають з одного зародка.
Ефект модиф^вання нiкель-маrнieвою лirатурою супроводжуеться дуже бурхливою реакщю, навiть «м^овибухами», випаровуванням магню та утворен-ням бульбашок, тобто кулястих поверхонь роздiлу.
На наш погляд, утворюеться едина система, що скла-даеться з газово! бульбашки або навiть бульбашок, каналу живлення, основою якого е вкраплення rрафiту шестикутно! форми з порожниною всерединi. Через цей канал живлення ввдбуваеться дифузiя вуглецю. Внаслi -док високо! активностi вуглецю щ порожнини швидко заповнюються вуглецем i утворюються так1 зростки кулястих вкраплень. Внаслвдок високо! швидкосп крис-талiзацi!' реалiзуеться дендритний характер крист^заци графиу.
Для описання морфологи включень графиу дуже зручно користуватися фрактальною розмiрнiстю. Як показано у роботах [13, 14], фрактальна розмiрнiсть може виступати новою к1льк1сною оцiнкою форми i морфологи графиних вкраплень.
У табл. 1 наведена фрактальна розмiрнiсть вкраплень графиту кулясто! форми в дослщному чавунi по-рiвияно з промисловим чавуном. Використовувалися безрозмiрнi характеристики, яш дали змогу оцiнювати
тшьки форму вкраплень та не враховувати власне !х розмiри.
Як видно з рис. 3 та табл. 1, графи; що утворився у дослщному чавуш, мае бшьш розвинену поверхню, менш компактний та кулястий. Усi морфологiчнi показ-ники мають бiльш високий д1апазон варшвання та бшьш висок1 значення.
Висновки
1. За результатами дослiджень пiдтверджено, що вкраплення графiту у заевтектичному синтетичному чавунi зростають за дендритним мехаиiзмом.
2. Менша к1льк1сть домшок у синтетичному чавуиi зменшуе шльшсть поверхонь роздiлу, що можуть слу-гувати зародками графiту. Внаслiдок цього шльшсть вкраплень графиу суттево менша, шж у чавунах про-мислово! чистоти.
3. Морфолопчш показники вкраплень графiту, що утворився в дослщному синтетичному високомщному чавунi, мають бiльш висок1 значення внаслщок розви-нуто! поверхиi та високо! швидкосп кристалiзацi!.
4. Отримання правильних кулястих вкраплень гра-фiту в заевтектичних синтетичних чавунах пов'язано зi змiною умов кристалiзацi!' та сферо!дизувального моди-фiкуваиня. Зменшення швидкосп кристалзаци та фракци модифiкаторiв буде сприяти рiвномiрному розподiлу графiту та покращенню форми вкраплень.
Таблиця 1 - Морфолопчш показники вкраплень графиу в синтетичних високтцних чавунах
Вид чавуну Показники
Фрактальна розмiриiсть (лши, що огинае графине вкраплення) Аспект Куляспсть
промисловий 1,01-1,05 1,04-1,05 1,6-2,6
дослщний 1,09-1,12 1,02-1,10 3,7-4,5
Примтки:
1. Аспект — спiввiдношення мiж великою та малою в^ями елтса. 2. Куляст^ть — розрахункова величина
P 2
K =-, де Р — периметр вкраплення графту; S — площа вкраплення графту
4nS
3. Фрактальна розмiрнiсть — розмiрнiсть Мтковського або груба розмiрнiсть обмеженог множини в метричному про-сторi, що дорiвнюe:
D = lim l0g N (е) , де N (б) - мШмальне число множин дiаметра е, якими можна покрити цю множину. s^o - l0g е
Список лтератури
1. Плавка синтетического чугуна в индукционных печах и ее технология на Каунасском литейном заводе «Центро-лит» / Под ред. Н. Г. Гиршовича. - Вильнюс : Минтис, 1974. - 297 с.
2. Шумихин В. С. Синтетический чугун / В. С. Шумихин, П. П. Лузан, М. В. Жельнис. - К. : Наук. думка, 1971. -158 с.
3. Иванов Д. П. Синтетический чугун, свойства и методы его получения / Д. П. Иванов // Литейное производство. -1972. - № 10. - С. 1-5.
4. Коган Л. Б. Структурные диаграммы для синтетического чугуна / Л. Б. Коган // Литейное производство. - 1972. -№11. - С. 13-14.
5. Пархоменко В. А. Совершенствование методов выплавки белого чугуна в индукционных печах ИЧТ-10 /
9. Кимстач Г. М. Синтетический чугун / Г. М. Кимстач // Заготовительные производства в машиностроении. -2007. - №12. - С. 7-14.
10. Campbell J. Complete casting handbook: metal casting processes, metallurgy, techniques and design / Campbell J. -Butterworth-Heinemann, 2015. - 1054 р.
11. Microstructural characterization of graphite spheroids in ductile iron / Theuwissen K. eta. // Transactions of the Indian Institute of Metals. - 2012. - Т. 65. - №. 6. -P. 627-631.
12. Gerghu R. A Possible Mechanism for the Formation of Exploded Graphite in Nodular Cast Irons / Gerghu R., Еberg L. M., Lacaze J. // Materials Science Forum. - 2014. -Т. 790. - P. 435-440.
13. Соценко О. В. Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикуляр-ного графита в модифицированных чугуна / О. В. Со-ценко // Металл и литье Украины. - 2012. - № 12 (235). -С. 3-10.
14. Макаренко К. В. Фрактальный анализ структурообра-зования чугунов [Текст] + [Электронный ресурс]: монография / К. В. Макаренко. - Брянск : БГТУ, 2013. -92 с.
Одержано 05.11.2015
Иванов В.Г. Голтвяница В. С. Морфология графита в заэвтектических синтетических чугунах
Представлены данные об образовании шаровидного графита в заэвтектических синтетических чугунах, выплавленных на шихтовых материалах повышенной чистоты. Установлено, что включения графита в заэвтектическом синтетическом высокопрочном чугуне растут по дендритному механизму при высокой скорости кристаллизации. Морфологические показатели (фрактальная размерность, аспект, округлость) графитовых включений, образовавшихся в синтетическом высокопрочном чугуне, имеют более высокие значения вследствие более развитой поверхности и высокой скорости кристаллизации.
Ключевые слова: синтетический чугун, шаровидный графит, морфология, фрактальная размерность, дендрит.
Ivanov V., Goltvyanytsya V. Graphite morphology in hypereutectic synthetic cast iron
The formation data of spherical graphite in hypereutectic synthetic cast irons, which were melted using high purity charge materials, were shown. The graphite inclusions in hypereutectic synthetic high-strength cast iron growth at high crystallization speed by dendritic mechanism were confirmed. Morphological parameters (fractal dimension, aspect, roundness) of graphite inclusions which were formed in synthetic high-strength cast iron have higher values due to developed surface and dendritic solidification mechanism.
Key words: synthetic cast iron, spheroidal graphite, morphology, fractal dimension, dendrite.
В. А. Пархоменко, И. Н. Бондаренко, Г. Ю. Шульте // Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования : тез. докл. IV Республ. науч.-техн. конф. - Днепропетровск : ДМетИ. - 1986. - 77 с.
6. Пархоменко В. А. Технологические особенности производства низкомарганцовистых синтетических ковких чугунов / В. А. Пархоменко, В. С. Драмшев, Т. Ф. Ты-лик // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах : тез. докл. IV Республ. науч.-техн. конф. (окт. 1985). - Запорожье: ЗМИ. - 1985. - С. 183-184.
7. Чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом и аустенито-бейнитной матрицей - современные материалы для литых деталей (свойства, применение, особенности технологии). Информационный сборник № 2. - М. : Инженерно-технологический центр машиностроения «Металлург», 2004. - 440 с.
8. Кимстач Г. М. Об особенностях сфероидизирующего модифицирования синтетического чугуна / Г. М. Ким-стач, М. Н. Шилова // Металлургия машиностроения. -2006. - № 5. - С. 28-30.
