CC BY
14
УДК 539.43
Канд. техн. наук В. О. Савченко1, канд. техн. наук I. М. Андрейко2, В. В. Кулик2, д-р техн. наук О. П. Осташ2, д-р техн. наук I. П. Волчок1
1ЗапорЬький нацюнальнт техтчний утверситет, м. Запорiжжя 2ФЬико-мехатчний шститут т. Г.В. Карпенка НАН Украши, м. Львiв
ОПТИМ1ЗАЦ1Я Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ ГРАФ1ТИЗОВАНИХ СТАЛЕЙ ДЛЯ П1ДВИЩЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ
Вивчено вплив вмюту вуглецю та кремшю у литих i термооброблених графтизованих сталях (ГС) на характеристики мщностi, пластичностi та ци^чно1 трiщиностiйкостi. Показано залежшсть мкроструктури ГС вiд об'емног частки структурних складових металевог основи. Встановлено, що i3 збльшенням M^m^i i зменшенням пластичностi ци^чна трщиностшкють змтюеться неоднорiдно i е оптимальною при ав = 700 МПа для ГС, що мстить 0,81%С i 1,23% Si.
Ключовi слова: графтизоваш сталi, графiтовi включення, мщшсть, втомнеруйнування, ци^чна трщиностшкють.
Вступ
Особливктю графпизованих сталей (ГС) е графiтовi включення в !х структур^ що нацае !м, з одного боку, специфiчнi властивост чавуну: високу рщкотекучють i демпфуючу зцатшсть, низьку чутливгсть цо концентраторов напружень, хорошу оброблювашсть рiзанням та ш., а з шшо-го, властивосп, що приIвманнi вуглецевим i низь-колегованим сталям: висою мщнють, пластичнють та уцарну в'язкiсть.
Для бшьшосп ГС, що використовуються у промисловосп, вмтст вуглецю е, цоволi, високим
1,25____1,6%, що пов'язано зi зменшенням трива-
лостi графпизацшного вщпалу [1—6]. Вщомо, що залежшсть м1ж вмiстом вуглецю i мехашчними властивостями е зворотно-пропорцшна. Тому зни-ження вмiсту вуглецю у ГС та виключення з технолопчного процесу довготривалого графпизацшного вщпалу пщвищить конкурентозцатшсть !х серед конструкцшних мат^ал^в. Останне зав-цання для тцвищеного вмiсту вуглецю (1,6; 1,3...1,33 i 1,38... 1,40%) виршуеться шляхом ле-гування ГС алюмшем i мшцю [1, 2] чи комплексно марганцем, хромом, нжелем i мол^бценом [3]. Для усунення цовготривалого вщпалу також за-стосовуеться моцифжування розплаву у ковшi феросилiцiем (ФС75) цля ГС з вмютом вуглецю 1,6... 1,8% i 1,45... 1,65% [7-9], що формуе включення графпу глобулярно! i вермикулярно! форм у перлпнш i перлiтно-феритнiй основах, вщпо-вiдно i забезпечуе таким ГС поецнання високо! мiцностi (600 МПа) та цикично! в'язкостi руйнування (58 МПа^/М).
Також показана можливiсть отримання ГС без провецення цовготривалого графгтизуючого вщпалу цля ГС з пониженим вмiстом вуглецю (0,61,2 %) застосовуючи моцифжування у ковш1
феросилiцiем (ФС65) i алюмiнiем (А99) [9]. Мщшсть таких ГС е на р1вш 600860 МПа за-лежно вiц комбшаци таких хiмiчних елементв як вуглець i кремнш. Даних про циклiчну в'язкiсть руйнування нелегованих ГС з низьким вмютом в них вуглецю i кремню у лiтературi вiцсутнi.
Мета роботи — пошук оптимального вмiсту вуглецю (0,6... 1,0%) за легування кремшем (1,2 i 1,6%) цля щцвищення характеристик мiцностi та циклiчно! трщиностшкосп ГС.
Матерiал 1 методика випробувань
Виплавляли ГС у 60-юлограмовш щцукцшнш печi з основним футеруванням. Легування марганцем зцшснювали присацкою в шч феромар-ганцю марки ФМн-78 (ДСТУ 3547-97). Моци-фiкування провоцили присаджуванням у кiвш подрiбнених феросилщда ФС-65 (ДСТУ 41272002) та алюмшда марки А99 (ГОСТ 1106974) перец заливанням рiдкого металу. Лиття металу провоцили у сух1 пiщано-глинистi ли-варнi форми. Отримували виливки товщиною 10 мм, !х х1м1чний склац наступний (мас. %): 0,61...1,04С; 1,19 ...1,59%Б1; 0,32...0,37%Мп; 0,12...0,17%А1; 0,008...0,014%Б i 0,016... 0,025%Р. Термчне оброблення зразюв провоцили в елек-тричних печах опору з нжромовими нагр^вачами i автоматичним регулюванням температури. Контроль вм1сту вуглецю та шших елементiв зцiйснювали на !скровому спектрометрi «^РБСТЯОЬАВ» з точн1стю ± 0,0001 мас.%. Сфе-ро!цизуюче вщпалювання на зернистий перлiт провоцили ступшчасто: нагрвання цо 760 ° С, вит-римування 2 гоцини, охолоцження цо 680 ° С, вит-римування 6 гоцин цо повно! сферо!цизацi! пер-лтту з поцальшим охолоцженням у тчщ.
© В. О. Савченко, I. М. Андрейко, В. В. Кулик, О. П. Осташ, I. П. Волчок, 2015
- 158 -
Короткочасну шцшсть 1 пластичшсть визна-чали на п'ятикратних цилшдричних зразках з д1аметром 5 мм, а цикл1чну тр1щиност1йк1сть — на цискових компактних зразках з крайовою трщиною (базовий розм1р W = 40 мм, товщина ^ = 10 мм) за частоти 10...15 Гц 1 коефщента асиметри R = 0,05 циклу навантаження у пов1тр1 при 20 ° С. Довжину втомно! тр1щини вим1ряли катетометром КМ-6 з 25-кратним збшьшенням у момент, коли 11 вершина була в матриц1. За-лежност1 швицкост1 росту втомно! трщини V = da/dN в1ц розмаху коефщента штенсив-ност1 напружень Б K буцували за вщомою методикою [10], характеристиками циктчно! трщи-ност1йкост1 (ЦТ) матер1ал1в вибрано величини
ЛКЛ =АК1о_10 - в низько-, ЛК/С =Лк10-5 - у
високо- та ЛК* i у середньоамплпудшй дшян-ках ц1аграми — розмахи коеф1ц1ента штенсив-ност1 напружень за швидкосп поширення трщи-ни, ршно! 10-10, 10-5 та 10-7 м/цикл 1 п — показ-ник ступеня ршняння Пер1са ввдповщно. Структуру металево! основи визначали на травлених у 3—5% розчин азотно! кислоти шшфах. Кiлькiсний фазовий аналiз (об'ем графгтово! фази Уг) ГС проводили з використанням програми 2ЛБ4/РЬ8 на енергоцисперсiйному мiкроаналiзаторi «ЬШК-860/500» точковим методом. Металогра-фiчний аналз проводили на мжроскопах МИМ07, МИМ-8 та БРУТ1Р 2 за збшьшень 100...500 раз. МiкрофрактоIрафiчнi дослщження втомних зламш зразкiв зцiйснювали на сканшному електронно-му мжроскот «СашеЪах».
Результати дослщжень та !х обговорення
Мжроструктурним аналiзом встановлено, що внаслiдок графгтизуючо! ди кремнiю i алюмiнiю тсля оброблення алюмiнieм i феросилiцieм ГС у литому стан утворюеться графина фаза (1%) уже за вмшту вуглецю 0,61% (табл. 1).
Структурно вшьний цементит для дослвджу-ваних ГС у кiлькостi до 4% формуеться тiльки у заевтекто!дних сталях (варiант 4). Зi зростанням вмюту вуглецю зменшуеться кiлькiсть включень
графпу на одиницю площi при тому, що його об'емна частка залишаеться сталою (1%) (табл. 1, рис. 1), що дещо сприяе укрупненню графiтових включень. Металева основа ГС е виключно пер-лпною за варiантами 2, 3, 4 та перлгшо-феритною за варiантом 1, з формуванням пластинчастого пер-лту (табл. 1).
г г д
Рис. 1. Мжроструктура Iрафiтизованих сталей за варiантами 1 (а, г), 2 (б), 3 (в) i 4 (г, д) х 200: а, б, в i г — нетравлет штфи
Пiсля сферо!дизуючого вiдпалу отримуемо зернистий перлiт (рис. 1 г, д). Результати мета-лографiчного аналiзу показали достатньо повну трансформацiю пластинчастого перлiту. Таы мiкроструктурнi змiни вiдображаються на меха-нiчних характеристиках цослiцжуваних ГС (табл. 2).
Залежшсть м^ мiцнiстю дослвджуваних сталей i вмiстом вуглецю е неоднозначною, мае максимум у вершин за вмюту вуглецю 0,81% (рис. 2, а). Зростання вмюту кремнiю з 1,23% до 1,59% за даного вмiсту вуглецю незначно пдви-щуе мiцнiсть ГС (3,6%).
Псля сферощизуючого вщпалу залежнсть мiж вмiсroм вуглецю i мщтстю стае практично лiнiйною, але при цьому вона знижуеться на 14... 16% за вмсту вуглецю 0,61 i 0,81% i практично не змiнюеться за вмiсту вуглецю 1,04%. Пластичшсть дослщжу-ваних ГС поводить себе обернено до мщносп, зок-рема у литому станi залежшсть мж вiцносним видовженням i вмютом вуглецю е практично
Таблиця 1 — Вплив вмiсту вуглецю i кремнiю на структуру ГС
'ч й Вмют елементiв, мас. % Об'емна частка структурних складових металево! основи, % Параметри граф^ово! фази
я ¡я й т С ферит перл^ цементит граф^ Хг п, мм-1
1 0,61 1,19 14 85 н.в. 1 1,0 228
2 0,81 1,23 н.в 99 н.в. 1 1,1 140
3 1,59 н.в 99 н.в. 1 1,0 135
4 1,04 1,20 н.в 95 4 1 1,1 110
Примтка: н.в. — не выявлено.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2015 — 159 —
лшшна, тодо як шсля сферощизацшного вiцпалу мае максимум за вмюту вуглецю 0,81 % (вар!ант 2). При цьому суттево, пор!вняно з литим станом зрос-тае вщносне вицовження — у 5,9 рази (рис. 2, табл. 2). Шцвищення вмюту кремшю цо 1,59% (вар!ант 3), знижуе вiцносне вицовження практично утрич!. Зростання вщносного вицовження п1сля сферощизуючого вiцпалу проти литого стану за вмюту вуглецю 0,61 i 1,04% також значне — у 2,6 i 5,4 рази, вщповщно. Таю суш^ зростання вщносного вицовження тсля провецення сферощизуючого вiдпалу пов'язанi, у першу черту, з низькими його значеннями у литому сташ.
Таблиця 2 — Меха^чш характеристики графь тизованих сталей
Мехашчш властивостi
Варiант ст^ у литому сташ тсля сферощизуючого вщпалу
аВ, МПа 5, % аВ, МПа 5, %
1 748 2,4 640 6,2
2 830 2,2 700 13
3 860 1,1 690 4,4
4 760 0,8 740 4,3
Рис. 2. Змша границi м1цност1 ^в (а) та вщносного вицовження 5 (б) вщ вм1сту вуглецю в цослщжуваних графiтизованих сталях (номери квацратiв вщповщають варiантам сталей у табл. 1—3) в литому сташ (□) та тсля сферощизуючого в1цпалу (■)
Дослщжуваш ГС не е структурно чутлив1 за пороговою цикл1чною тр1щиност1йк1стю (аК^), що характерно цля чавунiв та графггизованих сталей [1—3, 11]. Значна структурна чутливють ^остерь гаеться у високоамплггуцшй ц1лянц1 (табл. 3 та рис. 3) свщченням чого е цовол1 широкий даапа-
зон значень критично! тр1щиност1йкост1 АКус
(32...60 МПал/М ).
вищ1 значення цикл1чно'! в'язкост1 руйнування 58 i 60 МПа вiцповiцають ГС з вмютом вуглецю 0,61 i 0,81% (варiанти 1, 2), вiдповiдно. Легування 1,59% кремшем ГС (варiант 3) негативно позна-чаеться на цикичнш в'язкост1 руйнування, вона е найнижчою (32 МПа) серец цослщжуваних ГС (рис. 3, табл. 3). Практично аналопчний результат отримуемо, коли за вм1сту кремшю 1,20% пщвищити вмют вуглецю цо 1,04% (ва-рiант 4), циклiчна в'язк1сть руйнування таких ГС тоц1 становить 35 МПа. Проте цей рiвень е цо-вол1 високим, зокрема сум1рним з1 значеннями АКс цля широковживаних алюмiнiевих сплавiв [12].
Рис. 3. Дiаграми швицкостей росту втомно! макро-тр1щини у вiтцпалених графiтизованих сталях (номери кривих вщповщають варiантам сталей у табл. 1—3)
Таблиця 3 —Характеристики цикично! трщи-ност1йкост1 вщпалених графiтизованих сталей
Варiант ст^ АКл , МПа л/М АК/С, МПа -л/М АК*, МПа -л/М п
1 6,2 60 21,8 3,91
2 6,2 50 21,0 4,06
3 6,2 32 18,6 4,61
4 6,2 35 19,8 4,14
Залежнiсть цикл1чно! в'язкосп руйнування вщ м1цност1 (цiаграма конструкцшно! м1цност1) цля цослiцжених сталей показуе, що вони не посту-паються ГС з пщвищеним вм1стом вуглецю тсля р1зного легування [1—3], а за варiантом 2 випе-рецжае !х i е оптимальною — наближаеться цо правого верхнього кута цiаграми конструкц1йно! м1цност1. Таким чином, створення ГС з низьким вмютом вуглецю (0,6...0,8%) окреслюють перс-пективи !х поцальшо! оптимiзацi! (рис. 4).
Механзм втомного руйнування дослщжуваних ГС доволi енергоемний, про що свщчать OKpeMi областi з втомними борозенками i значна кшьккть дшянок з деформацiйними гребенями у зламах для низько- i на початку середньоамплпудних дшянок (и-ДК) кривих (рис. 5 а, б), що характерно для руйнування пластичних матерiалiв [9].
Рис. 4. Залежшсть циктчно1 в'язкостi руйнування DKfc вiд мiцностi ад графггизованих сталей: ■ — дослiдженi ГС (номери сплавiв вiдповiдають варiантам сталей за табл. 3); •— лггературт данi [1—3]
т
д
Рис. 5. Мжрофрактограми зразкiв графiтизованих сталей за варiантами 1 (а, в), 2 (г), 3 (б, т), 4 (д): а, б — V = 10-8 м/цикл; в, г, т, д — V = 510-7 м/цикл
У високоамплпудних дшянках (u-ДК) кривих дослвджуваних ГС характер руйнування змшюеться, з'являються дiлянки вiдкольного череззеренного мехашзму росту втомноï трщи-ни, проте для ГС з низьким вмютом вуглецю i кремшю (варiанти 1, 2) вщкольш дiлянки чер-гуються з дiлянками з в'язким мехатзмом руйнування (рис. 5 в, г). За високого вмшту вуглецю i кремшю ( варiанти 3, 4) на дiаграмi кон-струкцiйноï мiцностi появляеться дiлянка, де рiвень критичноï трiщиностiйкостi рiзко зни-жуеться (рис. 4). Мiкрофрактографiчний ан^з показуе, що руйнування таких ГС супровод-жуеться появою вiдкольного череззеренного мехашзму росту втомноï трiщини по всш по-верхнi зламу (рис. 5 т , д). Проте, наявшсть де-формацiйних гребешв, яю оконтурюють скольнi фасетки, пояснюе ще достатньо високу циклiч-
ну трщиностшкють цих ГС. Цьому сприяе та-кож вже вiдзначений рангше [13] енергоемний механiзм руйнування графгтово"! фаз, що прояв-ляеться для дослщжуваних ГС з високим вмгстом вуглецю г кремнiю (варiант 3, 4) (рис. 5 б, г). Видно, що деформацгйш гребен часто локалгзуються на границ мгж фазами металево'! основи г граф-гтових включень. За низького вмгсту вуглецю гра-фгтовг включення у зламах вщсутш
Висновок
Пщсумовуючи, можна стверджувати, що за характеристиками мщносл та циклгчнох в'язкостг руйнування оптимальною е ГС з вмгстом вуглецю 0,81% г кремнгю 1,23% за варгантом 2. Потреба надайного використання ГС з високими показниками мщносл (бгльше 700 МПа) вима-гае подальших дослщжень, спрямованих на шдви-щення !х циклгчнох трГщиностшкосп.
Список л1тератури
1. Пщвищення циклГчнох трщиностшкосп гра-фгтизованих сталей / [ О. П. Осташ, 1. М. Анд-рейко, 1. П. Волчок та Гн.] // Фгз.-нм. механг-ка матергалгв. — 2002. — № 6. — С. 7—12.
2. Вплив мщ на циклгчну трщиностшюсть г термотривкгсть графгтизованих сталей / [1. М. Андрейко, 1. П. Волчок, О. П. Осташ та Гн.] // Фгз.-юм. механгка матергалгв. — 2004. — № 3. — С. 109—112.
3. Андрейко 1. М. Вплив легування на мГцшсть та циклгчну трщиностшюсть графггизованих сталей / 1. М. Андрейко, В. В. Кулик, О. П. Осташ // Машинознавство. — 2007. — № 9. — С. 44—47.
4. Коровина Г. В. Литая графитизированная сталь./ Коровина Г. В. — Свердловськ : Маш-гиз, 1959. — 39 с.
5. Акимов И. В. Повышение физико-механических свойств графитизированных сталей: автореф. дисс. на соискание учен. степени канд. техн. наук: спец. 05.02.01 «Материаловедение». — Запорожье, 2004. — 26 с.
6. Яковлев А. Ю. Повышение термостойкости графитизированной стали для изложниц центробежного литья : автореф. дисс. на соискание учен. степени канд. техн. наук: спец. 05.02.01 «Материаловедение» / Яковлев А. Ю. — Запорожье, 2008. — 25 с.
7. Кимстач Г. М. О модифицировании низкокремнистых графитизируемых Бе-С-сплавов / Кимстач Г. М. // Литейное производство. — 1992. —№ 8. — 5 с.
8. Влияние модифицирования ферросилицием, силикобарием и силикокальцием на струк-турообразование литой графитизированной стали / [ В. Б. Бубликов, Д. С. Козак, Л. А. Зеленая и др.] // Процессы литья. — №4. — 2003. — С. 29—35.
г
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2015
- 161 -
9. Савченко В. О. Оптишзацш мшчного склацу та технологи моцифжування графггизованих сталей з метою п1цвищення мехашчних та службових властивостей: автореф. цисер. на зцобуття учен. ступеня канц. техн. наук: спец. 05.16.01 «Металознавство та термiчна оброб-ка». — Запорiжжя, 2011. — 22 с.
10. Механика разрушения и прочность материалов : Справ. пос. : в 4-х т. / Поц общ. рец. В. В. Панасюка. — К. : Наук. цумка, 1988—1990. — Т. 4 : Усталость и циклическая трещиностой-кость конструкционных материалов / [ О. Н. Ро-манив, С. Я. Ярема, Г. Н.Никифорчин и цр.] — 1990. — 680 с.
11. Структура та опр руйнуванню залзовуглецевих сплавiв / [О. П. Осташ, I. П. Волчок, О. Б. Ко-лотшкш та 1н.] — Львгв : Нацiональна ака-цемiя наук Укра!ни. Фiзико-механiчний шститут гм. Г.В. Карпенка, 2001. — 272 с.
12. Низкотемпературная циклическая трещино -стойкость высокопрочных алюминиевых сплавов на стациях зарожцения и роста трещины / [ О. П. Осташ, Е. М. Костык, В. Г. Куц-ряшов и цр.] // Физ.- хим. механика материалов. — 1990. — № 3. — С. 40—49.
13. Анцрейко I. М. Про мехашзм втомного руйнування чавунгв 1 графгтизованих сталей / Анцрейко I. М. // Физ.- хим. механика материалов.— 2003. — №1. — С. 111—112.
Поступила в редакцию 18.05.2015
Савченко В.А., Андрейко И.М., Кулик В.В., Осташ О.П., Волчок И.П. Оптимизация химического состава графитизированных сталей для повышения свойств
Изучено влияние содержания углерода и кремния в литых и термообработанных графитизированных сталях (ГС) на характеристики прочности, пластичности и циклической трещиностойкости. Показано зависимость микроструктуры ГС от объемной части структурных составляющих металлической основы. Установлено, что с увеличением прочности и увеличением пластичности циклическая трещиностойкость изменяется неоднородно и имеет оптимум при sB = 700 МПа для ГС с содержанием 0,81%С i 1,23% Si.
Ключевьк слова: графитизированные стали, графитовые включения, прочность, усталостное разрушение, циклическая трещиностойкость.
Savchenko V., Andreiko I., Kulyk V., Ostash O., Volchok I. Optimization of graphitized steels chemical composition for increasing of properties
The influence of carbon and silicon in cast and heat-treated graphitized steels (GS) on characteristics of strength, plasticity and fatigue crack growth resistance is studied. The dependence of GS microstructure on the volume part of structural compounds of metal matrix is estimated. It is established that with the increase of ultimate strength and the decrease of plasticity the fatigue crack growth resistance of GS changes heterogeneously and is optimum at s^s = 700 MPa for GS containing 0.81 %С and 1.23%Si.
Key words: graphitized steel, graphite inclusions, strength, fatigue, cyclic crack resistance.
