CC BY
15
УДК 669-142+620.186
Канд. техн. наук В. Г. 1ванов
ЗапорЬький нацюнальшй техтчний утверситет, м. Запорiжжя
РОЗПОД1Л Х1М1ЧНИХ ЕЛЕМЕНТ1В У СТРУКТУР1 ВИСОКОМ1ЦНОГО ЧАВУНУ ДЛЯ МАСЛОТНИХ ЗАГОТОВОК ПОРШНЕВИХ К1ЛЕЦЬ
До^джено розподт елементiв хiмiчного складу високомщного чавуну, що отриманий модифкуванням шкель-магшевою лгатурою, мiж його структурними складовими.
Мкрорентгеноспектральним аналiзом тдтверджено, що елементи, я^ присутш у висо-комщних чавунах, нерiвномiрно розподляються мiж металевою основою та графтною фазою. Уграфтних вкрапленнях кулястог форми спостергаеться тдвищена концентра-цЯ магшю та кисню. Наявшсть цих елементiв сприяе утворенню графту кулястог фор-ми.
Ключовi слова: високомщний чавун, кулястий графт, хiмiчний склад, магнш, кисень.
Вступ
Термш служби, потужнсть та еконоМчтсть сучасних двигушв визначаються властивостями матер1аЛв, з яких складаються щ агрегати. Одними з вщповщальних деталей двигунш е порш-нев1 юльця. Все частше для виготовлення порш-невих кшець застосовують високомщний чавун [1, 2], висока м1цн1сть, пластичнють, зносостшкють, оп1р тертю i корози якого досягаються специф1ч-н1стю морфологи графиних вкраплень, що ма-ють кулясту форму. Тому дослiдження морфологи графiтних вкраплень, механiзму ж утворен-ня та формування е актуальним для сучасного двигунобудування.
Постановка задачi
Вивчали розподш елеменгiв хгшчного складу та модифжаторш у високомщному чавунi, що використовуеться для виготовлення поршневих кiлець, з метою з'ясування можливого механiзму утворення та формування кулястого графiту.
Огляд лiтератури
Виготовляють поршневi кiльця двома способами лиття: з шдивщуальних заготiвок та з ци-лщдричних загогiвок — маслот. У масовому вироб-ництвi поршневих кiлець дiаметром до 500 мм переважно використовують вщцентровий спосiб лиття маслот, який забезпечуе економчтсть про-цесу та дозволяе отримати достатньо високий рiвень фiзико-механiчних властивостей [1].
Високомщний чавун для поршневих кшець, як правило мае евтектичний або заевтектичний склад (наприклад, ВЧ 500-2 зпдно ДСТУ 3925-99). У зв'язку з компактною формою кулястих вкраплень графiту при ввдцентровому литгi очжуеть-
© В. Г. 1ванов, 2016
ся 1х полегшена сегрегацiя i концентрац1я у внутршнж зонах [3]. Крш того, звичайно ввдцент-рова сила буде вносити певнi особливостi у за-родження та формування графiтових кулястих вкраплень. Слщ вщзначити, що вщомосп про вплив вiдцентрових сил на утворення графгту у чавунах досить обмеженi у науковш лiтературi [2, 4].
I взагалi механiзм утворення кулястого графгту у високомщних чавунах е предметом пал-ких дискусш серед ливарникiв та матерiалоз-навщв, починаючи з часiв, коли цей мат^ал та технолог1я його виробництва були винайденi. С тих чашв i до сьогодення запропоновано багато гшотез та теорiй, огляд яких досить широко представлений у науковш лiтературi [4—24], але жодна з яких не стала единою загальноприй-нятою. Це мабуть пояснюеться дуже великою складшстю цього процесу. Напевно ця проблема буде виршена при отриманш бiльш глибо-ко1 шформаци про формування кулястого графгту з використанням новiтнього лабораторного обладнання з можливостями до^джень на нанорiвнi.
У вiтчизнянiй та закордоннш науковш лгте-ратурi юнуе багато розрiзненоl шформаци про будову кулястого графпу та розподш елеменпв хiмiчного складу чавуну м1ж металевою матрицею та графгтною фазою [25—30]. Але даних по високомщному чавуну, що був отриманий вщцен-тровим литтям майже вiдсутнi.
У цш роботi наводяться дат мжрорентгенос-пектрального аналiзу про розподiл хiмiчних еле-ментiв у структурних складових високомщного чавуну маслотних загот1вок, яю отримують вщцен-тровим литтям.
Матерiали i методи
Високомщний чавун марки ВЧ 500-2 (ДСТУ 3925-99) виплавляли у високочастотнш шдукцшнш ne4i з кислою футер1вкою мтстктстю 30 кг. У якосп шихти використовували перероб-ний чавун марки ПЛ-2, чавунний та сталевий брухт. Для отримання кулястого графiту на дно нагргтого ковша давали нжель-магтеву л1гату-ру (15% Mg, 0,6% Ce ), що попередньо виготовляли з електрол1тичного нжелю (Н-1, ГОСТ 849-97), первинного магтю (Мг 95, ГОСТ 804-93) та фероцерда (МЦ50Ж3 (Ж6) ТУ 48-4-280-91) тд барieвим флюсом (ТУ 1714-462-05785388-2010). Зверху л^атуру вкривали шаром феросилжоба-рда ФС65Ба4. Кiлькiсть добавок складала 1,0% вщ маси рiдкого металу.
На вщцентровому верстатi отримували циль ндричт маслотнi заготвки i3 зовнiшнiм дiамет-ром 65 мм та довжиною 175 мм. Також вщливали стандартт проби у сухi пiщанi форми для контролю хiмiчного складу чавуну.
З цилiндричних заготiвок вирiзали зразки для металографiчного та мжрорентгеноспектрально-го аналiзу. Шлiфи готували за загальноприйня-тою методикою. Металографiчний аналiз проводили з використанням мжроскотв МИМ-7 i «Zeiss. Epityp-2». Оцшку кулястого Iрафiту зддно з ГОСТ 3443 здшснювали за допомогою про-грамно-апаратного комплексу «ВидеоТесТ. Структура 5.0». Металографiчному аналiзу щддавали се-редню частину маслотно! заготвки, з яко! вирь зають поршневi к1льця.
Мжрорентгеноспектральний аналiз проводили за допомогою електронних растрових мжроскотв SUPRA 40 WDS (Karl Zeiss) та JSM-6360 з приставками INCA 350 Oxford Instrumentals та JED 2300 вщповщно.
Зразки для дослвдження вирiзали з литого металу та тсля термчно! обробки — ввдпалу (при температурi 850—950 °С протягом 4 — 6 годин та охолодження разом з тччю до температури 500 °С з наступним охолодженням на повiтрi). Ввдпал е обов'язковою технолог1чною операщею для отримання чорново! заготвки, з яко! безпо-середньо вирiзають поршневi Кльця.
Результати
Типовi мiкроструктури чавуну у литому стат та пiсля вщпалу наведенi на рис. 1.
Результати мжрорентгеноспектрального ана-лiзу литого металу, що вщображують розподш елементiв вздовж вiдрiзка прямо! лши у перерiзi графiтного включення наведенi на рис. 2 та 3. На рис. 4 наведет результати мжроренгеноспектраль-ного аналiзу високомщного чавуну пiсля терм1-чно! обробки — вщпалу.
У табл. 1 наведет результати локального точ-кового мжрозондового анал1зу за х1м1чними еле-
ментами, що присутт у високом1цному чавунi (рис. 5).
б
Рис. 1. Титга мжроструктури чавуну ВЧ 500-2 у литому стан (а) га тсля вщпалу (б)
Обговорення
Як видно з рис. 1. морфологтя граф1гних вклю-чень дещо в1др1зняегься у литому га термооб-робленому стан1. Графит включення мають пе-реважно неправильну кулясту форму (ШГф4). У термообробленому стан1 бшя 25—30 вщсотюв гра-ф1тних вкраплень також мають з1рочкоподдбну форму (ШГф2). Д1аметр кулястих вкраплень у литому стан1 не перевищуе 15 мкм (ШГд15), у термообробленому стат кулясп вкраплення мають бшьший розм1р (ШГд25, ШГд45). Загальна частка граф1ту у литому стат не перевищуе 6% (ШГ6), тсля термчно! обробки — 10% (ШГ10). Менша кшьыстъ граф1ту та менш1 розм1ри його вкраплень можна пояснити половинчастою структурою металево! основи, що утворилася п1сля модифжування нжель-магтевою лтгатурою. Тоб-то кристал1зац1я металево! основи ввдбулася час-тково 1 за метастабшьною системою з утворен-ням ледебуриту. Шсля вщпалу структура пере-важно перл1тна. Ферит був присуттй у вигляд! оболонок, навколо граф1тних вкраплень.
Як видно з наведених рис. 2—5 будова графгт-ного включення е гетерогенною. Вщцентров! сили при отримант виливка суттево впливають на морфолопю граф1тних вкраплень. Розподдлення графгту у металевш матриц! р1вном1рне. Включення графпу внаслщок порушення умов крис-
тал^заци тд впливом вщцентрових сил мають (рис. 2, е), в шшому випадку у ценр графiтного спотворену кулясту форму: у виглдщ коми або вкраплення може спостерцатися концентрацшний шших неправильних куль. Кристатзацш у мета- п i к левш формi сприяе також швицкому твердшню, (рис. 3, е). Часто у науковш лiгерагурi це поясню-подрiбненню структурних складових i iзотроп- ють утворенням зародюв графiгу на неметалевих ностi будови. вкрапленнях — переважно сульфщах магню. А на-Але розподл елеменгiв, що присутнi у чавунах явнiсть чи вiдсугнiсгъ концентрацшних шив маге досить неоднорщним. Кремни, марганець, нжель ню у центра графiтового вкраплення трактують переважно розташоваш у металевш основi, а у гра- мiсцем проходження рентгешвського струменю за фiтових вкрапленнях щ елементи майже вщсутт. його перер1зом. Якщо перер1з проходить по макУ граф1тових вкрапленнях спостерхгаеться наявтсть симальному даметру вкраплення — спостерцаеться магнiю, кисню та зал1за. Особливу заджавленсть пж, якщо перер1з проходить нижче — такий тк викликае розподл головного сферощизатору гра- вщсутнш. Але така картина розпод1лу магшю спо-ф1ту — магию. Головним чином, магнй розташо- стер1гаеться 1 у високомщних чавунах, як1 вип-вуеться у графганих вкрапленнях. Але в одному лавляють на чистих за домишками шихтових ма-випадку розпод^л може бути майже р1вном1рним тер^алах у вакуумних печах. Тому таке стверд-
Рис. 2. Вкраплення кулястого графиту (у вигляд1 коми) у високомщному чавун (а) та концентрацшт спектрограми розподшу у ньому вуглецю (б), зализа (в), кремтю (г); марганцю (д), магнгю (е): 1-1 — л1ня пересування мжрозонду
ження не завжди е справедливим.
На наш погляд, вщсутшсть концентрацшних пМв та р1вном1рне розподдлення магн1ю (з невеликою амплтудою коливання) за об'емом графитного вкраплення може п1дтверджувати гшо-тезу утворення кулястого граф1ту у газових буль-башках та порах. Тобто газоподдбт речовини, що вступають в реакщю — магн1й та окис вуглецю утворюють тверд1 продукти реакци — граф1т та окис магшю, що р1вном1рно розташовуються у об'ем1 бульбашки. Остання при подальшш крис-тал1заци чавуну повн1стю або частково запов-нюеться граф1том. А концентращйний пж магшю може пояснюватися розташуванням каналу живлення, де власне в1дбуваеться реакц1я та че-
i
рез який у бульбашку дифундуе СО та iншi гази. Дуже часто в ^mpi таких вкраплень спос-терп'аються концентрацiйнi тки не тiльки магшю, а i кальЦю, залза, кремню (рис. 3, в), марган-ц ю
(рис. 3, г), ирки (рис. 4, ж), фосфору (рис. 4, з) та шших елементв.
Утворення Iрафiтних вкраплень кулясто форми при додаваннi магню супроводжуеться бурхли-вою реакцiею з окисом вуглецю [31]. Вiрогiдно, в умовах дефщиту кисню у чавунах можуть утво-рюватися метастабiльнi субокисли нестехюмет-ричного складу, насамперед магню, а також кальцию, кремню, затза та im елеметгв.
Наявнiсть високого вмтсту кисню у графiт-
M
Carbon Ka1 2
Manganese Ka1
д е
Рис. 3. Вкраплення кулястого графггу неправильно! форми у високомщному 4aByHi (а) та концентрацшн спекгро-грами розподiлy у ньому вуглецю (б), залiза (в), кремтю (г); марганцю (д), магнiю (е): I-I — л1тя пересування
мжрозонду
а
г
них глобулях пояснюють [32] високою адсорб-цшною здатшстю графиту. Також це може пояс-нюеться наявшстю нестехюметричних з'еднанъ елементв з високою спорщнешстю до кисню: алюмню, магнию, кальцго, а також наявн^стю СО, що дифундуе у глобуль графиту та не встигае розпастися на вуглець та СО2 [31]. Найбшьшу спорщнетсть до магнию мае кисень та ирка. Роз-
110 |Ш1
Мп К
... ж
подл цих елементв у графитному глобула анало-г1чний магию (рис. 4, ж, та табл. 1).
Шсля ввдпалу графин вкраплення дещо збшьшуються у сво1х розмрах, що пояснюеться розпадом цементиту 1 вщкладанням вуглецю переважно на вже утворених вкрапленнях. Розподл хтшчних елементв у графгтних вкрапленнях не змшюеться. У центра деяких вкраплень спосте-р^гаються концентрадшн п1ки магшю, ирки та 1н. (рис. 4). В шших вкрапленнях графпу кулясто! формиI &
110 |1т
С К
10 |1т Мд К
е
110 |1Ш
Э К
110 |1т
Р К
Рис. 4. Вкраплення кулястого графиту (РЕМ) у високомщному чавун тсля вщпалу (а) та характер розподшу у ньому вуглецю (б), залза (в), кремнию (г); марганцю (д), магню (е), арки (ж), фосфору (з): iнгенсивнiсгь зафарблення
вказуе на пщвищення концентраци
д
ж
з
а б
Рис. 5. Мжроструктура високомщного чавуну (а) та спектральна крива розподлу елемент1в для точки 1 (б)
Таблиця 1 — Результата локального мжроренгеноспектрального анал1зу ( ввдповвдно рис. 5)
Мюце аналiзу Вмют елеменпв, мас, частка, %
C O Mg Si Mn Fe Ni Всього
1 96,05 2,68 0,26 - - 1,00 - 100,00
2 95,79 2,97 0,21 - - 1,02 - 100,00
3 96,11 2,89 0,14 - - 0,85 - 100,00
4 89,97 7,17 - - - 2,86 - 100,00
5 96,41 2,41 0,17 - - 1,00 - 100,00
6 93,27 5,22 - - - 1,51 - 100,00
7 11,80 - - 2,86 1,01 82,57 1,75 100,00
8 4,69 - - 3,13 0,83 89,44 1,91 100,00
Висновки
На основ1 мжроренгеноспектрального анал> зу високомщного чавуну встановлено, що у гра-ф1тових вкрапленнях спостер1гаеться щцвище-ний вм1ст магн1ю та кисню. Розподдлення магшю та кисню за об'емом графпного вкраплення е майже ршношрним. В деяких випадках у ценгр1 граф1тного вкраплення спостер1гаютъся концентраций пжи вмсту магню, а також зал1за, кремню, марганцю. Опосередковано, це може тдтверд-жувати бульбашкову теорда утворення графпу кулясто! форми при обробщ р1дкого чавуну магн1ем.
Список лггератури
1. Справочник по чугунному литью [Текст] / под ред. Н. Г. Гиршовича. — Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. — 758 с.
2. Сильман Г. И. Изготовление и применение поршневых колец из высокопрочного чугуна / Сильман Г. И., Тарасов А. А. // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику . — Брянск : Изд-во БГИТА, 2000. — Т. 2. - С. 8-9.
3. Бунин К. П. Основы металлографии чугуна / К. П. Бунин, Я. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран. — М. : Металлургия. — 1969. — 414 с.
4. Жижкина Н. А. Структурообразование высоколегированного чугуна в поле действия центробежных сил / Жижкина Н. А. // Металл и литье Украины. — 2012. — № 12. — С. 11—13.
5. Справочник по изготовлению отливок из высокопрочного чугуна / [А. А. Горшков,
М. В. Волощенко, В. В. Дубров, О. Ю. Крамарен-ко] ; под общ. ред. А. А. Горшкова. — М.-К. : Машгиз, 1961. - 300 с.
6. Неижко И. Г. О теориях образования шаровидного графита [Текст] / И. Г. Неижко // Кристаллизация, структурообразование и свойства модифицированного чугуна : Сб. — К. : ИПЛ АН УССР, 1982. — С. 3—14.
7. Жуков А. А. Теориям сплавов с шаровидным графитом 50 лет. Но в них еще много тайн /
A. А. Жуков // Литейное производство. — 1998. — № 11. — С. 5—6.
8. Баранов А. А. К теории образования в чугуне шаровидного графита / А. А. Баранов, Д. А. Баранов // Металл и литье Украины. — 2003. — № 9—10. — С. 42—45.
9. Соценко О. В. Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугуна / О. В. Соценко // Металл и литье Украины. — 2012. — №12 (235). — С. 3—10.
10. Найдек В. Л. Шаровидный графит в чугунах /
B. Л. Найдек, И. Г. Неижко, В. П. Гаврилюк // Процессы литья. — 2012. — №. 5. — С. 33-42.
11. Роготовский А. Н. О современных теориях и гипотезах формирования шаровидного графита в литой структуре чугунов / А. Н. Роготовский, А. А. Шипельников // Литейное производство. — 2014. — № 4. — С. 5—7.
12. Stefanescu D. M. Theory of solidification and graphite growth in ductile iron // Ductile iron handbook, American Foundrymen's Soc. Inc., 1992. — Р. 1—19.
13. Skaland T. Nucleation Mechanisms in Ductile Iron // Processing of the AFS cast iron inoculation conference. 2005. Schaumburg, Illinois, September 20—30. — P. 13—30. (http:// www.elkemfoundry.com.cn/pdf/48f1b39297.pdf).
14. Development of Theories on Graphite Formation in Ductile Cast Iron. By:Cees van de Velde Last revision : January 15, 2004 [ Электронный ресурс] / A New Approach to the Solidification of Cast Iron. — режим доступа: www/URL: http:// www.ceesvandevelde.eu/partone.htm/ — 15.01.2004 г. — Загл. с экрана.
15. Закирничная М. М. Фуллеренная модель структуры железоуглеродистых сплавов / Закирничная М. М. — Препринт Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996. — 35 с.
16. Karsay S. I. Ductile Iron Production Practice. Amer Foundry Society Inc, Des Plaines, Illinois, 1987.
17. Yamamoto S. et al. A Proposed Theory of Nodularization of Graphite in Cast Irons //Metal Science. — 1975. — Т. 9. — № 1. — P. 360—369.
18. Hanawa K. et al. Nodular Graphite Formation in P/M Products from Cast Iron Swarf Powder and Fe-Si-C Mixed Powders //Transactions of the Japan Institute of Metals. — 1980. — Т. 21. — № 12. — P. 765—772.
19. Hanawa K Nodular Graphite Formation in Pore-containing White Cast Iron Sintered by means of Direct Electric Resistance Heating / Hanawa K, Hara Z., Akechi K. //Transactions of the Japan Institute of Metals. — 1981. — Т. 22. — № 7. — P. 449—458.
20. Yamamoto S. et al. Producing Speroidal Graphite Cast Iron by Suspension of Gas Bubbles in Melts // Transactions of the American Foundrymen's Society. — 1975. — Т. 83.
21. Itofuji H. Proposal of site theory / Itofuji H. // Transactions of the American Foundrymen's Society. — 1996. — Т. 104. — P. 79—87.
22. Itofuji H. The influence of free magnesium on some properties in spheroidal graphite irons / Itofuji H. // International Journal of Cast Metals Research(UK). — 1999. — Т. 12. — № 3. — P. 179—187.
23. Kasperek J. Aspects de la germination du graphite dans des fontes synthétiques fflaboraes sous vide
/ Kasperek J., Tellier J. C., Ortiz M. // Fonderie, Fondeur d'Aujourd'hui. - 1991. - № 101. -P. 29-37.
24. Колотило Д. М. Еще одна версия генезиса формы графита в чугуне / Д. М. Колотило // Литейное производство. - 1998. - № 7. -C. 15-16.
25. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках / Н. Г. Гиршович. - М. : Машиностроение, 1966. - 563 с.
26. Чаус А. С. Особенности внутреннего строения шаровидного графита в высокопрочном чугуне / А. С. Чаус, Я. Сойка, Л. Чаплович // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2013. - № 4. - С. 9-13.
27. Соценко О. В. Распределение магния и церия в отливках из высокопрочного чугуна [ Текст] : Материалы юбилейной междунар. науч.-практ. конф. «Литье 2014», 27-29 мая 2014 г. Запорожье / под общ ред. д.т.н. О. И. Понома-ренко. - Запорожье : ЗТПП, 2014. - С. 225226.
28. Itofuji H. Magnesium Map of the Spheroidal-Graphite Structure in Ductile Cast Irons / Itofuji H. //Cast Metals(UK). - 1992. - Т. 5. - №. 1. -P. 6-19.
29. Itofuji H. Detailed study of the site of Mg-halo as detected by CMA //International Journal of Cast Metals Research(UK). - 2001. - Т. 14. -№ 1. - P. 15-23.
30. Castro M. et al. Characterization of graphite form in nodular graphite cast iron // International Journal of Cast Metals Research. - 2003. - Т. 16. -№. 1. - P. 83-86.
31. Иванов В. Г. О механизме образования шаровидной формы графита / В. Г. Иванов, В. П. Пирожкова // Неметалевi вкраплення i гази у ливарних сплавах : збiрник тез XIV МГжнар. науково-техшчно! конф., Запоргжжя, 6-9 жовтня 2015 р. / вГдп. ред. В. В. Луньов. -Запоргжжя : ЗНТУ, 2015. - С. 80-83.
32. Леви Л. И. Об образовании шаровидного графита в синтетических сплавах Fe-C-Si / Л. И. Леви, С. А Гладышев // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1971. - №5. - С. 155— 157.
Поступила в редакцию 27.03.2016
Иванов В.Г. Распределение химических элементов в структуре высокопрочного чугуна для маслотных заготовок поршневых колец
Исследовано распределение элементов химического состава высокопрочного чугуна, полученного модифицированием никель-магниевой лигатурой, между его структурными составляющими .
Микрорентгеноспектральным анализом подтверждено, что элементы, присутствующие в высокопрочных чугунах, неравномерно распределяются между металлической основой и графитной фазой. В графитовых включениях шаровидной формы наблюдается повышенная концентрация магния и кислорода. Наличие этих элементов способствует образованию графита шаровидной формы.
Ключевые слова: высокопрочный чугун, шаровидный графит, химический состав, магний, кислород.
Ivanov V. Element distribution in ductile cast iron used for billet piston rings
Element distribution between structural components in ductile cast iron produced by modified by nickel-cadmium master alloy was examined.
The non-uniform distribution of elements contained in ductile cast iron have occurs between metal base and graphite phase was confirmed by the results of electron microprobe analysis. Increased concentration of magnesium and oxygen was observed in graphite spherical inclusions. The presence of these elements contributes to the formation of spherical graphite.
Key words: ductile cast iron, spherical graphite, chemical composition, magnesium, oxygen.
