CC BY
20
possibility of obtaining thermogranite with magnetic properties from dispersed iron-graphite waste metallurgy]. Visnik Priazovs kogo derzhavnogo tekhnichnogo universitetu. Serija: Tekhnicheskie nauki - Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical Science, 2017, vol. 34, pp. 24-30. (Rus.)
Рецензент: В.Б.Семакова
канд. техн. наук, доц., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 09.02.2018
УДК 621.785:669.15-194.2 doi: 10.31498/2225-6733.36.2018.142515
© Ткаченко 1.Ф.1, Мiрошнiченко В.1.2, Гаврилова В.Г.3
КЕРУВАННЯ МОРФОЛОГИЮ ГРАФ1ТОВО1 ФАЗИ У ПРОМИСЛОВИХ С1РИХ ЧАВУНАХ З ЗАСТОСУВАННЯМ ТЕРМ1ЧНО1 ОБРОБКИ
На nidcmaei ратше отриманих теоретичних та експериментальних даних було до^джено вплив умов iзотермiчних витримок при нагрiваннi на морфологт гра-фтовог фази (ГФ) арих та високомщних перлтових промислових чавутв. Вста-новлено два варiанти впливу температури iзотермiчног витримки на морфологт ГФ: 1) часткове або повне розчинення iснуючих пластин ГФ з утворенням «розi-рваних»: пластин разом з укрупненими сферичними частинками ГФ, мережi тонких прошарюв ГФ по межах феритових зерен; 2) нарощування розмiрiв iснуючих видтень ГФ вздовж вах поверхонь пластин ГФ та на окремих локальних дшянках поверхонь графтових частинок сферичног морфологи. Показано суттеве тдви-щення спротиву ударному руйнуванню вах до^джених чавутв. Отримат резуль-тати пояснено одночасним розвитком процеав: розпаду цементиту перлiтовог матриц з подальшим видтенням нових дрiбних кристалiв ГФ у виглядi сферичних iзольованих частинок або на поверхнях iснуючих кристалiв ГФ, як на субстратi; коагуляцИ та сфероiдiзацiг iснуючих пластин ГФ; утворення зародюв феритових зерен на межах розподшу частинки ГФ/матриця.
Ключовi слова: арi та високомщш перлiтовi промисловi чавуни, iзотермiчна ви-тримка при нагрiваннi, морфологiя графтовог фази, спротив ударному руйнуванню.
Ткаченко И.Ф., Мирошниченко В.И., Гаврилова В.Г. Управление морфологией графитовой фазы в серых чугунах с применением термической обработки. Изучено влияние изотермических выдержек при нагреве на морфологию графитовой фазы (ГФ) в промышленных серых и высокопрочных чугунах. Выявлено два варианта такого влияния: 1) частичное растворение пластин ГФ с образованием «разорванных»: тонких пластин, содержащих отдельные крупные сферические частицы ГФ; «сетки» тонких прослоек ГФ на границах зерен феррита; 2) прирост: общей толщины существующих пластин ГФ или размеров исходных сферических частиц ГФ на отдельных локальных участках их поверхностей. Установлено значительное повышение ударной вязкости всех изученных чугунов.
Ключевые слова: промышленные серые и высокопрочные перлитные чугуны, изотермическая выдержка при нагреве, морфология графитовой фазы, ударная вязкость.
I.F. Tkachenko, V.I. Miroshnichenko, V.G. Gavrilova. Control of graphite phase morphology in gray cast irons by heat treatment. Based on the previously obtained theoreti-
1 д-р техн. наук, професор, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуnоль
2 ст. викладач, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуполь
3 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний ушверситет», м. Марiуполь
cal and experimental data, the effects of isothermal holding at heating on morphology of graphite phase (GP) in industrial gray and ductile pearlite matrix cast irons were investigated. Two types of the effects were revealed: partial or full dissolution of the existing GP plates and growing up existing GP plates or spherical particles. The dissolution is emerged in forming «broken» thin plates comprising big spherical GP particles. Another dissolution variant was formation of ferrite grain boundary network of thin GP layers. The growing up process appears as increasing: whole thickness of the existing GP plates uniformly along their lengths and dimensions of the initially spherical GP particles on some local interface areas. The above GP morphology change features are attributed to different silicon contents in the cast irons: the higher silicon content stimulates the GP particles grow and vice versa. Formation of fine ferrite grains is also observed on the spherical GP particle / ferrite matrix interfaces. Considerable increase in the impact resistance was revealed after optimal isothermal holdings for all cast irons investigated. The following improvements of the impact strength were reached for gray and ductile cast irons, respectively: from KCU = 51 to 120 kJ/m2; from KCU = 89 to 440 kJ/m2. The results obtained were explained by the following processes joint development: decomposition of the pearlite matrix cementite with GP formation; coagulation and spheroidizing existing GP plates; ferrite fine grain nucleation on the GP particles-matrix interfaces. In turn, the decomposition results in ultrafine GP crystals appearance and their further accumulation: in the form of spherical isolated particles; as layers on the existing GP spheroid or plate surfaces as substrates.
Keywords: industrial gray and ductile pearlite matrix cast irons, isothermal holding at heating, graphite phase morphology, impact resistance.
Постановка проблеми. Графггова фаза (ГФ) в промислових сплавах залiза, як вщомо, утворюсться за високого вмюту карбону (> 2,14%) у присутносп сшщда (> 1,2%) в процес по-вшьного охолодження при кристатзацп з рщкого стану. Ця фаза, на вщмшу вщ цементиту, е найбшьш термодинамiчно стабшьною в œCTeMi Fe-C, у зв'язку з чим ïï вважають такою, чий стан тсля кристатзацп не змшюеться тд впливом будь-яких факторiв. Характерною типовою особливютю ГФ е несприятлива (пластинчаста) форма ïï кристатв, що призводить до вкрай ни-зьких стандартних мехатчних властивостей вщповщних сплавiв - шрих чавутв. Вказана проблема частково виршуеться шляхом модифшування, додавання глобулярiзаторiв та графггизу-ючого вщпалу. Проте таю проблеми структуроутворення, як: велик розмiри кристатв ГФ, не-однорщний розподш цих кристатв в мшроструктур^ завеликий розмiр зерна матриц та ш., до-тепер залишаються невиршеними, що обмежуе застосування цього класу вщносно дешевих та нескладних за технологiею виробництва матерiалiв, якими е сiрi чавуни [1].
Ah^Ï3 останшх дослiджень та публжацш. Враховуючи достатньо широке застосування шрих та високомiцних чавунiв у рiзних галузях промисловостi (гiрничо-видобувна, виробницт-во цементу, транспорт та ш.), виконано багато дослiджень [2-4], спрямованих на тдвищення спротиву ударному руйнуванню високомiцних чавунiв. Проте роботи виконували на чавунах у термiчно необробленому сташ або пiсля традицiйних режимiв термiчноï обробки.
Мета роботи - базуючись на ранiше теоретично обгрунтованих та експериментально тд-тверджених особливостях гетерогенних фазових перетворень в металевих сплавах при нагрь ванш та охолоджет [2, 5], показати принципову можливють суттевих змiн морфологiï фаз з високою термодинамiчною стабiльнiстю та роботи ударного руйнування сплавiв внаслщок ï^ термiчноï обробки, на прикладi ГФ у сiрих чавунах.
Виклад основного матерiалу. Дослiдження проводили з використанням заго^вок ударних зразкiв двох рiзновидiв сiрого чавуну СЧ-35 з концентращями карбону на нижньому (СЧ-35н) та верхньому (СЧ-35в) припустимих рiвнях, а також високомiцного чавуну ВЧ-60-2 одного хiмiч-ного складу. Термiчна обробка всiх чавунiв за дослщними режимами виконувалась безпосеред-ньо тсля ï^ кристалiзацiï згiдно результатiв попередшх дослiджень [2, 5], i полягала в iзотермi-чних витримках за температур в iнтервалi 700.. ,900°С протягом 0,3.. .6 годин при нагрiваннi та охолоджент. Дослiдження включали до себе металографiчний аналiз та випробування на удар-ний вигин зразкiв Менаже. Металографiчнi дослiдження виконувались з застосуванням оптич-ного мiкроскопа «Neophot-21» без травлення та тсля травлення 4% спиртовим розчином HNO3.
Особливосл мжроструктури, що виявляються без травлення шлiфiв, вiд дослiджених рiз-новидiв чавуну СЧ-35 (СЧ-35н та СЧ-35в) у початковому, щойно пiсля ^ист^заш^ станi показано, вщповщно, на рис. 1, а та 2, а. Можна бачити суттеву рiзницю у морфологи ГФ в зале-жност вiд хiмiчного складу чавуну: менший вмiст карбону та силщш (див. рис. 1, а) призво-дить до загального зменшення об'емно!' частки та помiтного подрiбнення кристалiв ГФ у порiв-няннi з рис. 2, а. В той же час, за такого найкращого, отриманого тсля кристалiзащl варiанту мжроструктури, форма кристалiв ГФ, характер 1хнього взаемного розташування та розподiлу у мiкроструктурi залишаються доволi несприятливими: скупчення коротких, викривлених пластин графпу утворюють великi завширшки стiнки чарунок розiрваноl мережi, що вщокремлю-ють мш: собою дiлянки практично без ГФ. Враховуючи середнш розмiр чарунок, що спостерь гаються, вказанi особливос^ можна пояснити збагаченням, в першу чергу, карбоном меж пер-винних аустештових кристалiв, в той час як об'еми таких кристалiв, ймовiрно, мають тдвище-ний вмiст силщш.
х100 х500
г д
Рис. 1 - Вплив температури iзотермiчноl витримки при нагрiваннi на мжрострукту-ру чавунiв рiзновиду СЧ-35н: а - початковий стан (тсля кристалiзащl); б - шсля низько температурно1 iзотермiчноl витримки; в, г, д - тсля високо температурно1 iзотермiчноl витримки; б, в - з тдвищеним вмiстом силiцiю; а, г, д - iз зменшеним вмютом силiцiю
Виявленi варiанти впливу iзотермiчноl витримки в процесi нагрiвання на морфологш ГФ у сiрих чавунах показано на рис. 1 та 2. Як засвщчуе рис. 1, б, у чавунах типу СЧ-35н в умовах низькотемпературноУ витримки можливо усунення початкових скупчень коротких графггових пластин, поблизу меж аустенггових зерен (див. рис. 1, а) з подальшим формуванням кристалiв ГФ безпосередньо по межах цих зерен у виглядi розiрваноl мережi з достатньо товстих, коротких прошарюв та поодиноких частинок сферично! форми. За умов подальшого збiльшення температури та тривалост iзотермiчноl витримки (див. рис. 1, в, г, д), у вказаних чавунах (СЧ-35н) пластини ГФ початковох морфолоп'1 (див. рис. 1, а) не спостер^аються. Натомють, в цих чавунах можна бачити (див. рис. 1, в) утворення майже безперервноl мережi з тонких прошарюв та
окремих частинок ГФ безпосередньо по межах аустеттових зерен. За зниженого вмюту силщто та iдентичного режиму термiчноl обробки, як засвщчуе рис. 1, г, у чавунах типу СЧ-35н утво-рюються значнi завширшки витягнуп дiлянки, що оточують графiтовi пластини, як iснували у початковому структурному стат та в цiлому повторюють 1х контури. Показано (див. рис. 1, д), що таю дшянки складаються зi скупчень високодисперсних частинок, вочевидь ГФ, як посту-пово, пошарово видшяються вздовж поверхонь юнуючих пластин ГФ, як на субстратах.
Рис. 2 - Вплив iзотермiчноl витримки при на^ванш на мжроструктуру чавунiв рь зновиду СЧ-35в: а - початковий стан (пюля кристалiзащl); б, в - пiсля низько тем-пературно!' iзотермiчноl витримки; а, б - без травлення; в - шсля травлення
Змши морфолоп!' ГФ внаслщок низькотемпературно!' iзотермiчноl витримки при нагрь ваннi чавунiв типу СЧ-35в з пiдвищеним та зниженим вмютом сiлiцiю показано на рис. 2, б та рис. 2, в, вщповщно. Як можна бачити з рис. 2, б, внаслщок вказано!' витримки вщбуваеться «розривання» довгих, вщносно тонких пластин ГФ, як натомiсть перетворюються на послщов-нос^ дрiбних частинок ГФ, «ланцюжки», що збертають початкову, витягнуту форму. Звертае на себе увагу наявнiсть у бшьшосл таких «ланцюжюв» дiлянок, як взагалi не мiстять дрiбних частинок ГФ, проте мають у своему складi окремi великi, майже сферичт частинки графiту. Отриманi результати свщчать про одночасний розвиток в проце^ розглянуто!' iзотермiчноl витримки процесiв розчинення, коагулящ! та сферодазащ! пластинчастих частинок ГФ, вщповщ-но до загально вщомих принципiв теорil фазових перетворень [6].
Мiкроструктуру пiсля травлення сiрого чавуну СЧ-35в iз зниженою концентращею силь цiю, що пройшов термiчну обробку за розглянутим вище режимом, показано на рис. 2, в. Можна бачити суттеве збшьшення товщини вже iснуючих графггових пластин завдяки утворенню вздовж '!х поверхонь (нашарування) велико!' кiлькостi достатньо дрiбних частинок ГФ сферич-но!' морфолоп!'.
Вплив iзотермiчних витримок за рiзних температур на мiкроструктуру чавушв з кулепо-дiбним графiтом типу ВЧ-60-2 показано на рис. 3. Як свщчить рис. 3, а, шсля низькотемперату-рно!' витримки, в структурi таких чавунiв утворюеться значна кшькють дуже дрiбних, i тому ледве помггних, частинок ГФ сферично!' морфолоп!'. В той же час, зростання температури iзо-термiчноl витримки, як випливае з рис. 3, б, призводить до суттевого тдвищення вмюту графь тових частинок, переважно невеликого розмiру, в структурi дослщженого чавуну. Як можна бачити з рис. 3, в, вщбуваеться також змша форми вже iснуючих, кулеподiбних у початковому станi, графiтових включень внаслiдок локальних обмежених викривлень («розростання») Ухтх майже сферичних поверхонь. Збшьшення температури iзотермiчноl витримки (див. рис. 3, г) призводить до майже повно!' втрати сферично!' форми бшьшос^ вказаних включень. Наведенi результати можна пояснити утворенням та подальшим зростанням нових частинок ГФ у перль товш матрицi та на локальних дшянках поверхонь кулеподiбних частинок ГФ, що утворилися пiд час кристалiзацil. Окрiм вказаного, за умов низькотемпературно!' iзотермiчноl витримки (див. рис. 3, в), по межах розподшу частинок ГФ та феритово!' матрицi можна бачити достатньо дрiбнi зерна фериту, як збiльшують сво!' розмiри до типових значень з шдвищенням температури iзотермiчноl витримки (див. рис. 3, г).
Серiя: TexHÍ4HÍ науки p-ISSN: 2225-6733; e-ISSN: 2519-271X
хб50
в г
Рис. 3 - Вплив темпеpатypи iзотеpмiчноï витpимки ^и нагpiваннi на мiкpостpyктy-py чавyнiв piзновидy ВЧ-б0-2: а, в - тсля низькотемпеpатypноï витpимки, б, г - т-сля високотемпеpатypноï витpимки, а, б - без тpавлення, в, г - пiсля тpавлення
Розглянyтi вище явища, що спостеpiгаються y всix дослiджениx чавyнаx, можна пояснити одночасним pозвитком пpоцесiв: pозпадy цементитy пеpлiтовоï матpицi; yтвоpення заpодкiв i по-дальшого зpостання новиx вiдокpемлениx частинок ГФ; дифyзiï частини атомiв каpбонy по межаx феpитовиx кpисталiв y бiк вже юнуючж гpафiтовиx включень; послiдовне, пошаpове видшенням дpiбниx частинок гpафiтy на повеpxняx вказаниx включень ГФ, як на сyбстpатаx; yтвоpення но-виx, феpитовиx зеpен на повеpxняx pоздiлy частинок ГФ та феpитовоï мафищ.
Розглянyтi вище змiни мiкpостpyктypи сipиx та високомiцниx чавyнiв викликають сyттeвi змiни ïx спpотивy yдаpномy pyйнyванню. Як було встановлено, yдаpна в'язкють дослiджениx сipиx чавyнiв piзновидy СЧ-35в зpостаe вiд KCU = 84 кДж/м2 y ноpмалiзованомy станi до KCU = 120 кДж/м2 тсля вж дослiджениx ваpiантiв iзотеpмiчниx витpимок. Стосовно високо-мiцниx чавyнiв визначено, що ïx смотав yдаpномy pyйнyванню зpостаe вiд KCU = 88,9 кДж/м2 y теpмiчно необpобленомy, щойно пiсля кpисталiзацiï станi послiдовно до KCU = 1б0, 18б, 247 та 444 кДж/м2 iз збшьшенням тpивалостi низько темпеpатypноï iзотеpмiчноï витpимки до 4-x годин, але знижусться до 245 кДж/м2 з подальшою витpимкою. Аналогiчне зниження KCU спо-стеpiгаeться також внаслiдок дослiдженого тдвищення темпеpатypи iзотеpмiчноï витpимки.
Висновки
1. Iзотеpмiчнi витpимки сipиx та високомiцниx чавyнiв, щойно пiсля кpисталiзацiï або повно1' аyстенiтiзацii, за pежимами, визначеними по pезyльтатаx попеpеднix теоpетичниx та експе-pиментальниx дослiджень, пpизводять до сyттeвиx змiн моpфологiï ГФ, pозмipy феpитового зеpна поблизу частинок ГФ та, в кшцевому пiдсyмкy, до тдвищення с^отову yдаpномy pyйнyванню.
2. Встановлено два piзновиди змiн моpфологiï ГФ в дослiджениx yмоваx, ймовipно, в залеж-ностi вiд вмюту силiцiю:
- часткове розчинення початкових пластинчастих видшень ГФ з утворенням: 1) «розiрва-них» пластин разом з вщокремленими частинками ГФ бiльшого розмiру та сферичноï морфологiï, 2) «розiрваноï» мережi тонких прошаркiв ГФ по межах феритових зерен за тдвищеного вмюту силiцiю;
- локальне, в окремих напрямках, збiльшення розмiрiв («розростання») кулеподiбних та за-гальне збiльшення товщини пластинчастих видiлень ГФ шляхом послщовного, пошаро-вого видiлення дрiбних графггових частинок на поверхнях включень ГФ, як на субстратах, за зниженого вмюту силщда в чавуш.
3. Встановлено присутнють навколо кулеподiбних включень ГФ, за оптимальних умов iзотер-мiчноï витримки високомiцних чавушв, дрiбних феритових зерен, розмiри яких зростають до середшх значень з тдвищенням температури та тривалостi витримки.
4. Показано суттеве пiдвищення спротиву ударному руйнуванню шрих та високомщних чаву-нiв порiвняно зi щойно закристалiзованим або нормалiзованим станами, внаслщок iзотермi-чних витримок за оптимальних режимiв: з KCU = 84 до 120 кДж/м2 та вщ KCU = 88,9 до 444 кДж/м2, вiдповiдно.
Перелiк використаних джерел:
1. Machine design [Electronic resourse] : [Web site]. - Electronic data. - Mode of access: www.machinedesign.com/metals/cast-iron. - Screen title.
2. Ткаченко 1.Ф. Про особливосп утворення аустенггу при на^ванш легованих сталей / 1.Ф. Ткаченко, К.1. Ткаченко // Вюник Приазовського державного техшчного унiверситету : Зб. Наук. Пр. / ПДТУ. - Марiуполь, 2002. - Вип. 12. - С. 25-27.
3. Completed Projects - Ductile Iron Society [Electronic resourse] : [Web site]. - Electronic data. -Mode of access: www.ductile.org/completed-projects. - Screen title.
4. Soinski M.S. Impact resistance of ferritic nodular cast iron / M.S. Soinski, M. Mitko, S. Tomczyn-ski, L. Bronik // Archives of Foundry. - 2004. - № 11. - Рр. 190-195.
5. Scientific work. Some features of the heterogeneous diffusive nucleation and their use to form new type microstructures and eliminate chemical nonuniformities in bulk industrial product made of alloy structural steels / I.F.Tkachenko, K.I. Tkachenko, V.I. Miroshnichenko. - Свщоцтво № 68323 вщ 25.10.2016.
6. Christian J.W. The theory of transformations in metals and alloys. Part 1. / J.W. Christian. - London : Pergamon Press, 1975. - 786 p.
References:
1. Machine design Available at: www.machinedesign.com/metals/cast-iron (accessed 30 October 2017).
2. Tkachenko I.F., Tkachenko K.I. Pro osoblivosti utvorennia austenitu pri nagrivanni legovanikh stalei [Some features of the austenite formation at alloy steel heating]. Visnik Priazovs 'kogo derz-havnogo tekhnichnogo universitetu - Reporter of the Priazovskyi State Technical University, 2002, iss. 12, pp. 25-27. (Ukr.)
3. Ductile Iron Society Available at: www.ductile.org/completed-projects (accessed 30 October 2017).
4. Soinski M.S., Mitko M., Tomczynski S., Bronik L. Impact resistance of ferritic nodular cast iron, Archives of Foundry, 2004, no. 11, pp. 190-195.
5. Tkachenko I.F., Tkachenko K.I., Miroshnichenko V.I. Scientific work «Some features of the heterogeneous diffusive nucleation and their use to form new type microstructures and eliminate chemical nonuniformities in bulk industrial product made of alloy structural steels». Certificate about registration no. 68903, 2016.
6. Christian J.W. The theory of transformations in metals and alloys, рart 1. London, Pergamon Press Publ., 1975, 786 p.
Рецензент: Л.С. Малшов
д-р техн. наук, проф., ДВНЗ «ПДТУ»
Стаття надшшла 16.04.2018
