CC BY
12
УДК 669.1
Канд. техн. наук I. В. Аюмов Запор1зький нацюнальний техн1чний ун1верситет, м. Запор1жжя
П1ДВИЩЕННЯ МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЛИТО1 ГРАФ1ТИЗОВАНО1 СТАЛ1
З використанням методу планування експерименту та подальшо'1' графiчноi оптимгзацИ були отриманi залежностi впливу компонентiв лито'1' графiтизованоi сталi на и властивостi. Запропонований оптимальний склад сталi з високими показниками статично'1' та ци^чно'1'мiцностi, застосування якого у машинобудуваннi забезпечить пiдвищення надiйностi та довговiчностi деталей, що працюють вумовах статичних та циклЫних навантажень.
Ключовi слова: графiтизована сталь, структура, механiчнi властивостi, оптимiзацiя складу.
Вступ
Вщомо, що графпизоват стал е залзовуглецев1 спла-ви, в яких вуглець частково знаходиться у вигляд! граф-гтових включень. Завдяки бшьш низькому по ввдношен-ню до чавутв вм1сгу вуглецю (1,2 _ 1,8 %) й, вщповщно, графиту щ сплави поеднують у соб1, з одного боку, по-зитивш якосп чавушв (висока демпфуюча здатшсть, низька чутливють до концентратор1в напружень, висок1 технолопчш властивосп, низька варпсть та ш. [1-4]), з шшого - бшьш висок1 у пор!внянш з чавунами ме-хатчт властивост! [5-7].
Детал1 машин, для яких графиизоваш стал1 могли б використовуватися як конструкцшш матер1али (колш-часп вали, шатуни, сепаратори та вкладиш1 тдшипниюв та ш.) працюють у достатньо р1зномаштних умовах, що часто включають в себе як статичш, так й циктчт на-вантаження з широкими д1апазонами частот. Так, на-приклад, за даними Пойди А. А. 1 Хуторянського М.М. [8] частота робочих коливань юшнчастого валу з висо-комщного чавуну ВЧ50-2 для дизеля ПД1М, що несе ш1сть цил1ндрових мас та масу генератора може дося-гати 22000 коливань за хвилину). Враховуючи цей факт, можна сказати, що одним з визначальних фактор1в ви-бору для таких вироб1в матер1алу е високий р1вень його статично! та циктчно! мщносп як при низьких, так й при високих частотах навантажень. Проте, отр графь тизованих сталей руйнуванню при циктчних наванта-женнях вивчено недостатньо. £ лише окрем1 ввдомосп з малоциклово! витривалосп [9] та циктчно! в'язкосп руйнування при частой навантаження до 15Гц [10]. У зв'язку з цим, дослщження опору руйнуванню графь тизованих сталей при статичних та циктчних наванта-женнях в умовах високих частот, як потенцшного кон-струкцшного матер1алу для важконавантажених вироб1в ввдповщального призначення, мае науковий та практич-ний !нтерес.
Метою роботи було ощнювання впливу вуглецю й кремнш як елеменпв, що найбшьш сильно впливають
© I. В. Аимов, 2015
на процеси графпизаци, а також мвд, яка сприяе граф-иизацл вторинного цементиту, покращуе розподш гра-фггових включень 1 щдвишуе мехатчт властивосп гра-фиизованих сплав1в [11], на формування структури металево! основи, графило! фази й властивосп графь тизованих сталей. А також визначення оптимального вм1сту вказаних х1м1чних елеменпв для отримання високих показниюв статично! й циктчно! мщност! дослвд-них сталей.
Матерiали та методика досл1джень
Виплавляння р1зних склада сталей проводили з використанням планування експерименту, де в якосп незалеж-них змшних було прийнято вм1ст вуглецю (0,5.. .1,9 %) й кремню (0,6 .2,6 %), а також мщ (0.4,0 %). Вмст шших х1м1чних елемент1в складав: 0,60...0,70%Мп; 0,15.. ,0,18%Сг; 0,22.. ,0,25%А1 и до 0,02%8 и 0,03%Р. В якосп залежних змшних були прийняп статична 8 1 циктчна 81 мщшсть сплаву. В робой був реал1зований повний факторний експеримент другого порядку 23 (табл. 1), що м1стив у соб1 вгам головних дослвдв, а також дослвди на «з1рковому» й нульовому р1внях.
Аналiз отриманих результата
Результати металограф1чного анал1зу виплавлених сплав1в у литому (не термообробленому) стат показали р1знор1дшсть мжроструктур, головним чином, у за-лежносп ввд вм1сту вуглецю 1 кремтю [12].
Для покращення структури й властивостей дослщ-них сталей отримат виливки поддавали гартуванню (на-гр1вання до 860 °С, витримка 1 год, охолодження у масло) з подальшим середтм ввдпусканням (500 °С, 2 год). Проведене термооброблення дослщних сплав1в сприя-ло утворенню сорбиу вщпускання у структур! металево! основи та майже не змшило к!льк!сть, форму та роз-под!л граф!тових включень. У подальшому з виплавлених та термооброблених злитшв вир!зали зразки для механ!чних випробувань, результати яких наведен! у табл. 2.
1607-6885 Нов1 матер1али г технологи в металурги та машинобудувант №1, 2015
65
Таблица 1 - Центральний композицшний план повнофакторного експерименту 23
Дослщт фактори
1нтервал варiювання й рiвнi факторiв Х1 (С, %) Х2 (81, %) Х3 (Си, %)
Нульовий рiвень: Хс = 0 1,2 1,6 2,0
1нтервал варiювання 1,0 0,4 0,6 1,2
1,682 0,7 1,0 2,0
Нижнiй рiвень: Х = - 1,0 0,8 1,0 0,8
Верхнш рiвень: Х = + 1,0 1,6 2,2 3,2
Зiрковi точки Х = 1,682 0,5 0,6 0
Х = 1,682 1,9 2,6 4,0
Таблиця 2 - МехаМчш властивосп дослвдних сплаив
Хiмiчний склад Мехашчш властивост
н о о « С, % Б1, % Си, % ств, МПа 5, % ст_ь МПа
% р- ф. р. ф. р. ф.
1 0,8 0,78 1,0 1,01 0,8 0,84 820,0 19 384
2 1,6 1,54 1,0 1,07 0,8 0,85 760,0 12 315
3 0,8 0,78 2,2 2,18 0,8 0,92 915,0 15 385
4 1,6 1,73 2,2 2,29 0,8 0,87 778,0 8 312
5 0,8 0,74 1,0 1,01 3,2 3,17 970,0 17 389
6 1,6 1,74 1,0 1,04 3,2 3,15 880,0 10 322
7 0,8 0,72 2,2 2,17 3,2 3,25 1280,0 12 409
8 1,6 1,78 2,2 2,25 3,2 3,19 990,0 6 336
10 0,5 0,48 1,6 1,66 2,0 1,90 720,0 22 361
11 1,9 1,95 1,6 1,66 2,0 1,94 443,3 5 264
12 1,2 1,23 0,6 0,62 2,0 1,95 874,7 15 384
13 1,2 1,26 2,6 2,55 2,0 2,09 730,4 8 360
14 1,2 1,23 1,6 1,61 0 0,02 745,6 14 355
15 1,2 1,21 1,6 1,69 4,0 3,95 721,9 10 342
16 1,2 1,27 1,6 1,65 2,0 2,01 887,0 12 358
Примтка: р. — розрахунковий склад елементiв, згiдно з табл.1; ф. — фактичний склад, згiдно з результатами хiмiчного aHa.ni.3y.
Аналiз отриманих даних мехашчних властивостей показав, що усi дослвдш характеристики проявляли знач-ну чутливiсть до структури сплавiв. Було виявлено, що найбiльш високими показниками статично! та циктч-но! мiцностi характеризувалася сталь, яка мктила 0,72 %С; 2,17 % 81 и 3,25 %Си (див. табл. 2, вар. 7). Це пояснюеться компактною формую графиових вклю-чень, а також дрiбнодисперсною сорбиною структурою, що сприяе тдвищенню мiцностi. Звертае на себе увагу сталь, що мала найбiльшу пластичшсть (см. табл. 2, вар. 9). В Г! структурi було найменша к1льк1сть графiтноi фази та найбшьша - високопластично! феритно! фази, що в цшому сприяло пiдвищенню вщносного видов-ження d до 22 %. Найбшьш низькими показниками мщносп й пласIичностi характеризувалася сталь вар. 10 (см. табл. 2), що можна пояснити найбiльшим вмiстом у и складi вуглецю, а отже й rрафiтноi не компактно! фази в структур^ що знижувало мехатчт властивосп.
Регресiйна обробка результатiв мехашчних властивостей дозволила отримати низку рiвнянь, що опису-
ють залежтсть механiчних властивостей вiд вмiсту вуглецю, кремшю та мiдi. Шсля перевiрки адекватностi моделей i переходу до натуральних змiнних були отри-манi рiвняння другого порядку:
Ол = 397 + 126С - 7681 - 7Си - 5С81 + ССи + + 681Си -83С2 + 21812;
(1)
ов = 312 + 1029С - 6381 + 37Си - 144С81 - 48ССи + + 5381Си -372С2 + 52812 -4Си2;
(2)
5 = 36,7 - 19,8С - 2,381 - Си + 0,5С81 + 0,3ССи --0,281Си + 3,4С2 -0,5812.
(3)
Проведений графiчний аналiз отриманих рiвнянь показав, що кривi залежностей статично! та циктчно! мiцностi вiд вмiсту вуглецю проходять через максимум
у межах 0,8.. .1,0 %С. Про вплив кремнiю та мiдi на по-казники опору статичного та втомного руйнування можна сказати, що окремий вплив цих елемент1в дещо пiдвишував границi мiцносгi та витривалосп сгалi. Для визначення складу, який би забезпечував оптимальне поеднання властивостей статично! та циклiчноi мiцностi графгтизовано! сталi проводили графiчну оптимiзацiю вмюту вуглецю та мiдi при вихщному вмiстi кремнiю 2,2 %, за методикою, запропонованою Ковшовим В.Н. [13]. Для визначення оптимального вмюту вказаних еле-ментiв був побудований графж двомiрних перерiзiв поверхонь в1дклику за двофакторним полiномом, у яко-му попередньо було введено найбiльш бажане числове значення досл1дних параметрiв: стВ = 1000.1200МПа й ст-1 = 1000.1200 МПа. Результатом оптимiзацii' було визначення зош оптимального вмюту вуглецю 0,8.1,1 % та мвд 3,0.3,2 % (рис. 1, заштрихована частина).
Рис. 1. Граф1чна опти]шзащя складу високомщно! граф1ти-зовано! стаи за вуглецем та мiддю при 81 = 2,2... 2,4 %
Висновки
Результати проведених дослiдiв показали, що найбшьш сприятливим поеднанням властивостей: ст = 1000.1200 МПа; 5 = 10.14 %; ст, = 300.400 МПа
в ' ' -1
характеризувалася сталь складу: 0,8.1,0 %С; 2,2.2,4 %81; 3,0.3,2 %Си; 0,60.0,70 %Мп;
0.15.0.18.%Сг; 0,22 . 0,25 %А1 и до 0,02%8 и 0,03 %Р. За показниками статично! та циклiчно! мщносп графi-тизована сталь, запропонованого складу перевершуе високомщш чавуни, марок ВЧ40 . ВЧ50 та низку марок вуглецевих сталей.
Список лтератури
1. А.с. 1574674 СССР, МКИ С 22 С 38/18, В 22 С 38/34. Графитизированная сталь / О. Б. Колотилкин, И.П. Волчок, С. А. Уваров (СССР). - № 4471327 ; заявл. 05.09.88; опубл. 30.06.90, Бюл. № 24. - 2 с.
2. А.с. 1793001 СССР, МКИ С 22 С 38/34. Графитизированная сталь / И. П. Волчок, О. Б. Колотилкин,
С. А. Уваров (СССР). - № 4910094 ; заявл. 11.02.91 ; опубл. 07.02.93, Бюл. № 5. - 2 с.
3. Pat. 5,139,583, C22C38/00. Graphite Precipitated hot-rolled Steel plate having workability and hardenability and method therefore / Yoshikazu Kawabata, Masahiko Morita, Fusao Togashi (USA). - № US19920822649 ; filed. 21.01.92 ; publ. 18.08.92.
4. Pat. US5830285, C21D1/26; C21D1/84, C21D8/06, C22C38/12, C22C38/60. Fine Graphite uniform dispersion steel excellent in gold Machinability, Cuttability and Hardenbility, and production method for the same / Sakae Katayama, Toshimi Tarui, Masahiro Toda, Ken-Ichiro Naito (Japan). - № US19960700355 ; filed. 23.08.96, publ. 03.11.98.
5. Жураковский В. М. Организация трансформируемой структуры и обеспечение заданных свойств графитсо-держащей стали: автореф. дисс. на соискание научн. степени докт. техн. наук: спец. 05.02.01 «Материаловедение» / В. М. Жураковский. - Минск, 1985. - 40 с.
6. Скворцов А. И. Магнитные и демпфирующие свойства графитизированных сталей после изотермической закалки / Скворцов А. И., Агапова Л. И. // МиТОМ. 1993. -№ 5. - C. 9-10.
7. Колмыков В. И. Особенности формирования графитсо-держащих диффузионных слоев при двухступенчатой нитроцементации конструкционных сталей / В. И. Колмыков, И. Н. Росляков, О. В. Летова // Технология металлов. - 2008. - № 11. - С. 22-24.
8. Тепловозы : Механическое оборудование : Устройство и ремонт : Учебник для техн. школ / А. А. Пойда, Н. М. Хуто-рянский, В. Е. Кононов. - М. : Транспорт, 1988. - 320 с.
9. Аюмов I. В. Пщвищення високотемпературно! витри-валост графтзованих сталей / I. В. Аюмов, I. П. Волчок // FIDES. Intern. Forum for the Development of Education and Science Proc. - Norway : Lulu Press Inc., 2010. - 61 p.
10. Akimov I. Wear resistance of graphitized steels. / Akimov I., Belikov S., Volchok I. // Archives of metallurgy and materials, Volume 58, 2013, Issue 3, Р. 827-830.
11. Сильман, Г. И. Влияние меди на структурообразование в чугуне / Г. И. Сильман, В. В. Камынин, А. А. Тарасов // Металловедение и термическая обработка металлов. -2003. - № 7. - С. 15-20.
12. Акимов И. В. Усталостное разрушение графитизированных сталей при высоких частотах нагружения Строительство, материаловедение, машиностроение / Акимов И. В. // Сб. научн. трудов. Вып.74 - Днепр-ск, ГВУЗ «ПГАСА», 2014. - С. 66-71.
13. Ковшов В. Н. Методические указания к постановке эксперимента при выполнении курсовыхнаучно-исследо-вательских работ / В. Н. Ковшов. - Днепропетровск : НМетАУ, 1999. - 50 с.
Одержано 20.05.2015
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2015
67
Акимов И.В. Повышение механических свойств литой графитизированной стали
С использованием метода планирования эксперимента и последующей графической оптимизации, были получены зависимости влияния компонентов литой графитизированной стали на её свойства. Предложен оптимальный состав стали с высокими показателями статической и циклической прочности, применение которого в машиностроении обеспечит повышение надежности и долговечности деталей, работающих в условиях статических и циклических нагрузок.
Ключевые слова: графитизированная сталь, структура, механические свойства, оптимизация состава
Akimov I. Increasing of mechanical properties of the cast graphitized steel
The dependences of the influence of the cast graphitized steel's components on its properties have been obtained, with the use of the experiment planning method andfurther graphical optimization. The optimal composition of steel with high static and cyclic strength indices has been suggested. Its application in mechanical engineering will provide the increase of the reliability and durability of the articles operating under static and cyclic loads.
Key words: graphitized steel, structure, mechanical properties, composition optimization.
