CC BY
135
УДК 669.131.7
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ГРАФИТА НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ ЧУГУНА
С.И. Бондаренко, доцент, к.т.н., И.П. Гладкий, профессор, к.т.н.,
ХНАДУ
Аннотация. Приведены результаты исследования термостойкости чугунов с разной формой графита при термоциклировании в интервале температур 20°-600°С. Показано, что самую высокую термостойкость имеет чугун с вермикулярным графитом, что делает его перспективным материалом для изготовления головок цилиндров дизельных двигателей.
Ключевые слова: чугун, пластинчатый графит, шаровидный графит, вермикулярный графит, термостойкость, трещина, головки цилиндров.
Введение
Режимы работы головок цилиндров автомобильных и тракторных дизельных двигателей непрерывно ужесточаются, приводя к повышению тепловых и механических нагрузок. При этом решающую роль играют термические напряжения, в связи с чем проблема повышения термостойкости головок является весьма актуальной.
В качестве материала отливок головок цилиндров как у нас в стране, так и за рубежом, используются серые чугуны с пластинчатым графитом, нелегированные и легированные, а также чугуны с вермикулярной и шаровидной формой графита. Сопротивление чугунов разрушению при термоциклировании во многом определяется формой, количеством и характером распределения графитных включений.
Анализ публикаций
Серые чугуны с пластинчатым графитом (Ч1II ) имеют низкие прочностные и пластические свойства, высокую чувствительность к толщине стенки отливки, что должно уменьшать их термостойкость. В то же время они обладают повышенной теплопроводностью, что
способствует уменьшению термических напряжений и повышению термостойкости [1].
Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) обладает высокой прочностью, стабильной структурой, в то же время он имеет пониженную теплопроводность и высокий модуль упругости,
что приводит к значительным термическим напряжениям. Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) занимает по своим свойствам промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ По физическим и технологическим свойствам он близок к ЧПГ, а по механическим - к ЧШГ [1].
Изучению термостойкости чугунов с различной формой графита и структурой металлической основы в последнее время уделяется большое внимание, но единого мнения о механизме разрушения чугуна и влиянии формы графита на теплостойкость нет. В качестве термостойкого материала в одних случаях предлагают ЧПГ, подвергнутый легированию для повышения прочностных свойств, в других - ЧШГ или ЧВГ. Одни исследователи считают, что наивысшей термостойкостью обладает ЧШГ, а ЧВГ занимает промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ [2], другие отдают предпочтение ЧВГ [3, 4].
Цель и постановка задачи
Целью настоящей работы было исследование термостойкости чугунов с пластинчатой, вермикулярной и шаровидной формой графита в условиях, максимально приближенных к работе головок цилиндров двигателей СМД.
Необходимо было разработать способы модифицирования, позволяющие стабильно получать чугун с требуемой формой графита, а также методику определения термостойкости.
Определение термостойкости чугунов
Выплавленные чугуны имели идентичный мас.): 3,28-3,3С; 2,73-2,9 Si; 0,5-0,65 Мп; 0,03-0,04
химсостав, отличаясь в основном по количеству Сг; 0,011-0,013 S; 0,066-0,07 Р. Чугуны плавок 0,
магния. Содержание элементов составляло (% 1, 2 и 3
Таблица 1 Условия проведения плавок , микроструктура чугунов и результаты испытаний
на термостойкость
£ 3 4 е к о в Способ модифицирования Тип чугуна Микроструктура Количеств о циклов до разрушен ия
Модификатор Коли -чество, % Спо соб ввода Графит Количество, %
перлита феррит а
0 Mg гранулированный 0,15 в форму ЧПГ Гф1, Граз 180 гф2, Граз 180 99 95 1 5 486 343 456
1 ЖКМ2(80%)+ ФСЗ0РЗМБ(10%) Mgгран.(10%) 2,4 в форму ЧШГ Гф13,12(97%),Граз 25 Гф6 (3%), Граз 90 15 85 1556
2 РЗМ+ ЖКМ-2 0,4 1,0 в ковш в форму ЧШГ Гф 13, 12; Граз25 15 85 1123 968
3 РЗМ+ +А1 ЖКМ-2 0,4 0,04 1,0 в ковш в ковш в форму ЧВГ Гф6 (80%), Граз 90 Гф13,12(20%), Граз 25 20 80 2500 2420
содержали до 0,01 %; 0,035 %; 0,026 % и 0,01% Mg соответственно. В чугуне плавки 3 содержалось
0,03 % А1.
Для модифицирования применяли магний гранулированный, лигатуры ЖКМ-2 и ФСЗОРЗМЗОВ (табл. 1).
Форма графита изменялась от крупно плас тинчатой в чугуне плавки 0 до шаровидной (плавки 1,2) и преимущественно вермикулярной.
Металлографическое исследование не выявило каких-либо изменений структуры образцов после термоциклирования. В продольном сечении образцов всех плавок, кроме плавки 0, наблюдается значительное количество радиальных трещин, полностью заполненных оксидами (рис. 1). Было изучено количество, длина и распределение трещин в чугунах разных плавок.
(плавка 3). Структура металлической основы чугуна плавки 0 представляла собой перлит, плавок 1, 2, 3 - феррит + перлит.
Испытания на термостойкость производились на защемлённых цилиндрических образцах диаметром 8 мм, нагреваемых непосредствен ным пропусканием электрического тока, в интервале температур 20°С - 600°С. Охлаждение образцов осуществлялось в воде.
Термостойкость оценивалась по числу циклов до разрушения. После испытаний одна из половинок всех разрушенных образцов под вергалась металлографическому исследо ванию в продольном сечении.
Было установлено, что самую низкую термо стойкость имеет чугун плавки 0 с пластинчатым графитом (табл.1). Чугуны с преимущественно шаровидной формой графита плавок 1 и 2 выдерживали до разрушения в 2,5 - 3,5 раза больше циклов, чем ЧПГ. Наибольшую термостойкость обнаружил чугун плавки 3 с преимущественно вермикулярной формой графита (80% ВГ + 20% ШГ), у которого число циклов до разрушения почти в 6 раз выше, чем у ЧПГ.
а
б
Рис. 1. Распространение трещин в чугунах с вермикулярным (а) и шаровидным (б) графитом; х100
В ЧВГ трещины в основном проходят по графитным включениям и в меньшей степени по матрице (рис.1а). В ЧШГ большая часть длины трещин приходится на металлическую основу (рис.1 б).
Наибольшее число трещин наблюдается в чугунах плавок 1 и 2 (39 и 33 соответственно), несколько меньше в образце плавки 3 (27) и практически не обнаруживаются трещины в образце ЧПГ (плавка 0) кроме той или тех, которые привели к разрушению.
Отсутствие трещин в образце ЧПГ, вероятно объясняется тем, что несмотря на минимальные термические напряжения за счет повышенной теплопроводности, из-за неблагоприятной формы графита скорость распространения трещин настолько велика, что первые же трещины приводят к разрушению образцов после небольшого числа циклов.
Наименьшие величины средней и максимальной длины трещин имеют место в образцах ЧШГ плавки 2, что связано с малой скоростью распространения трещин, обусловленной шаровидной формой графита. Более низкая термостойкость ЧШГ по сравнению с ЧВГ связана с большей величиной тепловых напряжений и более неравномерным их распределением (расстояние между трещинами колеблется от 0,15 до 3 мм) в результате пониженной теплопроводности.
Следует отметить, что наибольшее количество трещин, максимальное значение средней длины трещин (0,42 мм) и наиболее протяженная зона распространения трещин по длине образца (14,25 мм) наблюдается у образца ЧШГ с небольшим количеством вермикулярного графита (плавка 1). Это можно объяснить тем, что благодаря низкой теплопроводности и большим термическим напряжениям, отдельные трещины, возникающие у включений вермикулярного графита, растут быстрее других. Это подтверждается наличием в образце одной аномально длинной трещины (3,3 мм).
Несмотря на наибольшую длительность испытаний, в образце из ЧВГ наблюдается меньшее количество трещин, чем в образце из ЧШГ, наиболее равномерное их распределение по длине образца, наименьшая протяженность поврежденной трещинами зоны (10 мм). Средняя длина трещин вдвое больше по сравнению с ЧШГ (плавка 2), но меньше, чем у образца плавки 1 (ШГ + ВГ), несмотря на большее число циклов у образца ЧВГ. Все это свидетельствует о том, что вследствие повышенной теплопроводности в образцах ЧВГ термические напряжения в данных условиях испытаний гораздо меньше и они распределяются более равномерно, чем в образцах ЧШГ. Этим, очевидно, и объясняется более высокая (в 2 раза) термостойкость ЧВГ по сравнению с ЧШГ, несмотря на более высокую прочность ЧШГ.
Выводы
На основании результатов исследования можно сделать следующие выводы:
1. В ЧПГ, благодаря наличию пластинчатого графита, скорость распространения трещин в условиях термоциклирования настолько велика, что уже первые трещины приводят к разрушению чугуна, несмотря на меньший уровень термических напряжений вследствие повышенной теплопроводности.
2. Чугун с вермикулярным графитом в условиях принятой схемы нагружения имеет в 2 раза большую термостойкость, чем ЧШГ и в 6 раз большую, чем ЧПГ, что объясняется его более высокой теплопроводностью и меньшим уровнем термических напряжений по сравнению с ЧШГ и меньшей скоростью распространения трещин по сравнению с ЧПГ.
3. Можно предположить, что наличие небольшого количества вермикулярного графита в ЧШГ, мало влияя на его теплопроводность, может способствовать ускоренному развитию отдельных трещин и тем самым снижать термическую стойкость
чугуна.
4. Благодаря высокой термостойкости наиболее перспективным материалом для изготовления головок цилиндров автомобильных и тракторных дизельных двигателей является чугун с вермикулярным графитом.
Литература
1. Справочник по чугунному литью / Под ред.
Гиршовича Н.Г. Изд. 3-е, перераб. и доп. - Л.:
Машиностроение, 1978. - 758 с.
2. Riposan. Сопротивление окислению и
термостойкость чугуна с различной формой
графитных включений // 46th International Foundry Congress. - 1984. - №38. - С. 51-55.
3. Попов П.И. Теплостойкость чугунов с различной
структурой металлической основы и
графита // Металлургия. - 1983. - №17. - С. 15-18.
4. Краевой В.И. Повышение термической стойкости чугуна // Материаловедение в машиностроении. - 1983. - №17. - С. 38-42.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ
Статья поступила в редакцию 7 июля 2006 г.
