CC BY
33
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 669.112
Канд. техн. наук Н. И. Урбанович1, канд. техн. наук А. И. Покровский2, канд. техн. наук В. С. Нисс1, канд. техн. наук К. Э. Барановский1, Е. В. Розенберг1
1 Белорусский национальный технический университет, 2 Физико-технический институт НАН Беларуси;
г. Минск
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА, ПОЛУЧЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И
ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Приведены результаты исследований структуры и свойств высокопрочного чугуна в литом состоянии, после горячей пластической деформации и последующей его термической обработки. Установлено, что оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств чугуна после деформации позволила обеспечить изотермическая закалка ав до 1230 МПа и б - до 6,2 %.
Ключевые слова: высокопрочный чугун, шаровидный графит, термообработка, изотермическая закалка, структура, свойства.
Известно, что все чугуны характеризуются пониженной пластичностью. Это объясняется наличием в металлической матрице хрупких и мало пластичных фаз: цементита и/или графита. Цементит, вчастности, имеет высокую твердость (более 800 HB) и практически нулевую пластичность. Графит характеризуется пониженной пластичностью и высокой хрупкостью, что обусловлено слоистым строением его кристаллической решетки [1-2]. В нормативных документах (ГОСТ 1412-85, ГОСТ 27208-87, ГОСТ 7293-85) основными регламентируемыми показателями механических свойств чугунов являются временное сопротивление разрыву (ст) и относительное удлинение (5). В связи с вышесказанным, повышение механических характеристик, особенно пластичности, является актуальной задачей. Решение данной задачи традиционными путями, например, легированием, модифицированием, термообработкой почти исчерпали свой ресурс. Существенно улучшить качество чугуна и комплекс физико-механических характеристик помимо придания изделию требуемой формы позволяет горячая пластическая деформация литых заготовок [3-4]. Литейно-деформационная технология изготовления изделий из чугуна требует знания основных аспектов деформационного воздействия на структуру и свойства высокоуглеродистых сплавов железа.
Целью данной работы являлось исследование структуры и свойств высокопрочного чугуна (ВЧ) в литом состоянии, после горячей пластической деформации и последующей его термической обработки.
Исследования выполняли на сканирующем электроном микроскопе VEGA-2 LMU с микроанализатором
INKA Energy 350, сканирующем зондовом микроскопе «C3M Solver PROM», а также металлографическом микроскопе «Альтами». Механические свойства определяли по стандартным методикам. Твердость по Брин-нелю - по ГОСТ 9012-59. Испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84, на ударную вязкость - по ГОСТ 9454-78. Изготовление и травление шлифов проводилось по стандартным методикам, в качестве трави-теля использовали 5 % раствор азотной кислоты в этиловом спирту (ниталь).
В качестве базового материала для исследований был использован чугун марки ВЧ 50, имеющий фер-ритно-перлитную металлическую основу, в которой шаровидные графитные включения находятся в фер-ритной оболочке.
Авторами [1] предложена модель строения шаровидного графита (рис. 1, а), согласно которой графитный сферокристалл состоит из кристаллитов пирамидальной формы, сходящихся своими вершинами в центре включения. Плоскость, параллельная основанию каждой пирамиды, является базисной. Подтверждением выше предложенной модели является изображение шаровидного графита, полученное на спектральном электронном микроскопе и представленное на рисунке 1, б. Сферокристалл характеризуется наличием суб-зеренной структуры, состоящей из многочисленных секторов, которые, по-видимому, являются кристаллитами пирамидальной формы. В свою очередь, в сечении кристаллита наблюдается чередование параллельных слоев, являющихся базисными плоскостями кристаллита и располагающихся перпендикулярно
© Н. И. Урбанович, А. И. Покровский, В. С. Нисс, К. Э. Барановский, Е. В. Розенберг, 2015
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2015
7
радиусу-вектору. В центре сечения графита находится темно-серое пятно (в других сечениях графита пятно может иметь и светло-серый цвет), являющееся базисной плоскостью кристаллита, располагающегося нормально к плоскости шлифа, соответственно, разрез такого кристаллита должен находиться в центре исследуемого сечения сферокристалла. Следует отметить, что пятна могут иметь трех-, четырех-, пяти- и шестигранную форму, что позволяет судить о форме и размерах кристаллитов, образующих сферокристалл. В сечении сферокристалла также наблюдаются белые включения, располагающиеся в радиальном направлении по границам сегментов. Микрорештеноспектральный анализ показал, что белые включения, предположительно, соответствуют ферритной фазе, так как наличие углерода в них незначительное, а содержатся преимущественно: железо, марганец, кремний.
Спектральный анализ химического состава по сечению графитного включения (рис. 2) позволил установить, что базисная плоскость кристаллита обогащена магнием, серой, кислородом, железом, а концентраци-
Рис. 1.
онный пик углерода в центре включения графита, напротив, снизился. Полученные результаты свидетельствуют о том, что на базисных поверхностях растущего сферокристалла графита адсорбируются примеси в виде оксисульфидов и сульфидов магния, железа и, таким образом, образуют адсорбционную пленку. Отсюда следует, что слоистая структура пирамидальных кристаллитов не однородна по химическому составу и не состоит только из графита. Предполагается, что идет чередование слоев графита и адсорбционной пленки, состоящей из оксисульфидов магния и железа.
Таким образом, можно предположить, что гипотеза кристаллизации шаровидного графита по адсорбционному механизму получила свое дальнейшее развитие в представленных результатах исследований.
Для исследования влияния деформации на структуру и свойства высокопрочного чугуна литые цилиндрические образцы испытывали на прессе горячей пластической деформации методом выдавливания в условиях неравномерного всестороннего сжатия. Температура деформации составляла при этом 850 °С-
Рис. 2.
1000 °С. Из рисунка 3, на котором представлена микроструктура ВЧ, прошедшего деформационное воздействие с разной степенью деформации, видно, что форма графита видоизменяется особенно в продольном направлении вытяжки.
Графитные включения вытягиваются вдоль течения металла, приобретая своеобразную морфологию, которая изменяется по мере изменения степени деформации от овальной (рис. 3, а) до веретенообразной и нитевидной (рис. 3, б). Следует отметить, что феррит-ная оболочка вытягивается вслед за графитным включением (рис. 3, в), перлит после деформирования становится более мелкодисперсным, а сами зерна измельчаются.
Анализ микроструктур поперечного сечения образцов ВЧ, полученных при разных степенях деформации, показал, что с увеличением степени деформации количество графитных включений на единицу площади возрастает (рис. 4). Увеличение числа включений, вероятно, связано с делением графита на части и с зарождением дополнительных центров графитизации вследствие роста количества точечных и линейных дефектов решетки при нагреве под деформацию и в процессе самой деформации.
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1
11 (> *
ЛГ-'Г'"- V • \ : V % * ,
- • V- . *
• » * А * ■ У ' 1 -» ■ 1
I Ш
Л* V *
М1
Рис. 3.
Одним из перспективных путей улучшения свойств чугунов является горячее пластическое деформирование в сочетании с эффективными методами термической обработки. Из многочисленных видов термической обработки чугунного литья наибольшее применение получили: нормализация, закалка, закалка + отпуск, а также изотермическая закалка на бейнит [5]. В данной работе исследовали влияние вышеуказанных видов термообработки на структуру и свойства литого и деформированного ВЧ.
С целью получения корректных сравнительных результатов по механическим свойствам чугунов до и после их деформирования литые образцы нагревали до температур, соответствующих температурному интервалу деформирования (850 °С-1000 °С), и охлаждали на воздухе, как и деформированные. Нагрев литых образцов осуществляли в индукционной установке, так как индукционный нагрев использовался для нагрева заготовок перед деформированием. Следует отметить, что нагрев литых образцов из ВЧ до указанных температур с последующим охлаждением на воздухе повысил прочностные и снизил пластические свойства чугуна.
>.■ -
■.4 * •
\ *
*.• <-.
• V . .■ „ .
. . " Л. *
V: к . .
- > ... ■
1 » ■ ■у*:.;?:
А
- •*: * 1 . 1 и
-У ? - V"'..
/'.Л. - » **. . '
б
V -г - Л
г
Режим нормализации и закалки деформированных образцов заключался в нагреве в печи до 950 °С с выдержкой 1 час и в последующем охлаждении их на воздухе и воде соответственно. Отпуск проводили при 200 °С в течение 2 часов. Изотермическую закалку ВЧ, подвергшегося деформированию при температуре 850 °С-1000 °С, осуществляли путем погружения его в емкость с расплавленным свинцом, имеющим температуру 350 °С, сразу после деформирования, при этом изотермическая выдержка составляла 2 часа.
Механические свойства высокопрочного чугуна в литом и деформированном состоянии после различных видов термообработки представлены гистограммами на рисунке 5.
Полученные результаты показали, что нормализация ВЧ после его деформирования обеспечивает повышение прочности с 690 МПа до 990 МПа, относительного удлинения с 4,5 % до 5,4 % и твердости с 25 ЖС до 32 ЖС. Закалка деформированного чугуна, по сравнению с деформированным чугуном без термообработки, незначительно увеличила прочность, но при этом резко увеличила твердость до 57 НЕС и снизила пластичность с 4,5% до 1,7 %, что связано с получением структуры мартенсита и повышением внутренних напряжений. Последующий низкий отпуск деформированного чугуна позволил повысить прочность до 1050 МПа, относительное удлинение - до 3 %, а твердость снизить до 50 НЕС. Следует отметить, что из всех представленных выше видов термообработки только изотермическая закалка позволила обеспечить оптимальное сочетание прочностных и пластических
II
I"
—
— 1 1
5 1 |
1 1 I 1 I Щ
! а 1 й 1 -
¡о I-0
1 ? | Г & —
гЧ-
1 1
1
Рис. 4.
в
Рис. 5.
в
а
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2015
9
Таблица 1 - Механические свойства высокопрочного чугуна с разной степенью деформации после изотермической закалки
Степень деформации, % Время выдержки, ч Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, %
20 2 1150 770 5,4
60 2 1230 980 6,2
оксисульфидов магния и железа.
3. Показано, что после деформирования высокопрочного чугуна графит вытягивается вдоль течения металла, приобретая веретенообразную и нитеобразную форму, ферритная оторочка вытягивается вслед за графитным включением. Перлит после деформирования становится более мелкодисперсным, а сами зерна измельчаются.
4. Установлено, что с повышением степени деформации высокопрочного чугуна количество графитных включений на единицу площади увеличивается.
5. Показано, что из широко применяемых видов термической обработки (закалка, закалка + отпуск, нормализация, изотермическая закалка), которым подвергали деформированный ВЧ, оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств позволила обеспечить изотермическая закалка ав до 1230 МПа и 5 до 6,2 %. Причем с повышением деформации прочность и пластичность ВЧ, подвергшегося изотермической закалке, повышаются.
Список литературы
1. Бунин К. П. Основы металлографии чугуна / Бунин К. П., Малиночка Я. Н. Таран Ю. Н. - М. : Металлургия, 1969. - 416 с.
2. Чугун : справ. изд. / Под ред. А. Д. Шермана и А. А. Жукова. - М. : Металлургия, 1991. - 576 с.
3. Покровский А. И. Горячая пластическая деформация чугуна: структура, свойства, технологические основы. Научное издание / Покровский А. И. - Минск : Изд. «Беларуская навука», 2010. - 256 с.
4. Покровский А. И. Структурообразования чугуна при горячей пластической деформации (научные и технологические основы получения изделий из чугуна с использованием горячего выдавливания и штамповки) / Покровский А. И. - Изд. «LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co». Saarbrucken, Germany. - 2012. - 344 c.
5. Бобро Ю. Г. Изотермическая закалка чугуна / Бобро Ю. Г., Пивоваров В. М. - Харьков : Прапор, 1968. - 112 с.
Поступила в редакцию 10.11.2015 Урбанович Н.1., Покровський А.1., Hicc В.С., Барановський К.Е., Розенберг £.В. Структура i властивост високомщного чавуну, отриманого з використанням деформацшних i термiчних дш
Наведено результати дослгджень структури i властивостей високомщного чавуну в литому станг, пгсля гарячо'1 пластично'1 деформацИ i подальшо'1 його термгчно! обробки. Встановлено, що оптимальне поеднання мщностг i пластичних властивостей чавуну пгсля деформацИ дозволила забезпечити изотермгчне загартування а до 1230МПа i 5 - до 6,2 %.
Ключовi слова: високомiцний чавун, кулястий графт, термообробка, изотермiчне загартування, структура, властивостi.
Urbanowich N., Pokrovskii V., Niss V., Baranovskii K., Rosenberg E. Structure and properties of the высокопрочного cast-iron got with the use of deformation and thermal influences
The results of the structure and properties investigations for high-strength cast iron in as-cast condition after hot plastic deformation and subsequent heat treatment are presented in. It was found that austempering after deformation makes possible optimum combination of strength and ductility (a up to 1230 MPa, 5 up to 6,2 %).
Key words: high-strength cast iron, spheroidal graphite, heat treatment, austempering, structure, properties.
свойств ВЧ: Ств до 1200 - 1230 МПа, 5 до 5,9-6,2 %.
На рисунке 6 представлена структура ВЧ после изотермической закалки, которая характеризуется наличием бейнита и остаточного аустенита (светлая фаза).
Следует отметить, что с повышением степени деформации ВЧ количество остаточного аустенита возрастает. Отмечено также, что на рост прочности и пластичности ВЧ, подвергшегося изотермической закалке, оказывает влияние и степень деформации
Результаты исследований, представленные в таблице 1, показали, что с повышением степени деформации в указанных пределах прочность и пластичность повышаются.
Рис. 6.
Заключение
1. Показано, что графит шаровидной формы характеризуется наличием субзеренной структуры, неоднородной по фазовому составу, структурному и элементному составу и состоящей, в свою очередь, из большого количества отходящих от центра сегментов.
2. Установлено, что слоистая структура сегмента (пирамидального кристаллита) шаровидного графита не однородна по химическому составу и не состоит только из чистого графита, а имеет в своем составе другие химические элементы в виде оксисульфидов магния, железа, адсорбированных на поверхности графита. Предполагается, что идет чередование слоев графита и адсорбционной пленки, состоящей из
