CC BY
66
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
УДК 669.131.2:539.551
Т. М. МИРОНОВА1*
1 Каф. «Мш^алознавство ш. академжа Ю. М. Тарана», Нацюнальна металургшна академш Украши, пр. Гагарiна, 4, Дтпропетровськ, Укра!на, 49600, тел. +38 (067) 713 83 65, ел. пошта t.myronova@mail.ru
ВПЛИВ ПОПЕРЕДНЬО1 ТЕРМ1ЧНО1 ОБРОБКИ НА ПЛАСТИЧН1СТЬ Б1ЛИХ ЧАВУН1В
Мета. Розробка режимiв термiчно! обробки бiлого чавуну для змiни структуры !х евтектично! складово!, а саме: порушення монолитно! будови цементитного каркасу ледебуритних колонш i суцiльностi евтектично! атки, а також змiна и розташування на бiльш сприятливе, з точки зору пластично! деформацi!. Методика. В якосл матерiалiв використовували доевтектичш бiлi чавуни з рiзним вмютом вуглецю (2,92...3,35 %), а також iз додатковим легуванням ванадieм 3,81 %. Сплави пiддавали попереднiм вщпалам та випробовували на гаряче кручення. Результата. У результата дослiджень було показано, що роздроблення карбiдно! атки за допомогою пластичного деформування сприяе покращенню механiчних властивостей бiлих чавушв, але мае труднощi в застосуванш, що обумовленi !х низькою пластичнютю. Вивчено вплив рiзних режимiв попередшх вiдпалiв, що включали iзотермiчнi витримки при рiзних температурах, а також багаторазовi витримки й термоциклювання на структуру та пластичшсть бiлих доевтектичних чавунiв. Дослвджено вплив ступеня евтектичносп та попередньо! термiчно! обробки на гарячу пластичнiсть бiлих чавунiв рiзних складiв. Наукова новизна. Визначено, що термiчна обробка, яка викликае фазову подвшну а ^ у перекристатзащю при температурах 860-950 °С i перлитизацiю при 720-680 °С, сприяе суттевому пiдвищенню пластичностi як у нелегованих, так i легованих ванадiем бiлих чавунах. Це ввдбуваеться за рахунок роздiлення матрично! карбвдно! фази в колонiях ледебуриту новими фазовими межами, особливо карбидного перетворення при легуванш ванадiем. Практична значимiсть. Ви-користання попереднього ввдпалу з фазовою перекристалiзацiею дозволило пiдвищити пластичнiсть доевтектичних бiлих чавунiв. Отриманий рiвень пластичностi чавуну ввдповвдае пластичностi сталей карбщного класу, що забезпечуе устшну деформацш куванням та вальцюванням.
Ключовi слова: бш чавуни; зносостiйкiсть; евтектичш карбiди; деформування; термiчна обробка; фазовi перетворення; пластичнiсть
Вступ
У сучасному машинобудуванш велика кшь-юсть деталей виготовлясться з чавушв р1зних тишв та склад1в [17, 20]. Бш чавуни багато в чому задовольняють сучасш вимоги до зносо-стшких деталей та шструменту, проте !х конс-трукцшна мщшсть та стшюсть до динам1чних навантажень часто недостатня [4]. Специфша евтектично! сггки, що утворюеться шд час кри-статзацп вироб1в з бшого чавуну, призводить до викришення карбадв при терт!, а особливо при ударному знос1 Змшити будову ледебуритних колонш, де матричною фазою е крих-кий цементит, за допомогою терм!чно! обробки майже неможливо.
Загальним положенням для майже вс!х спла-в!в евтектичного типу е позитивний вплив обробки, що сприяе подр!бненню евтектично! ит-ки, причому це стосуеться i зал!зовуглецевих, i кольорових сплавiв. Особливо суттево цей вплив проявляеться, якщо первинна фаза е
бшьш пластичний твердий розчин, а евтектика утворюеться на базi бiльш крихких складових
[11, 19].
Ще починаючи з 30-х рокiв минулого сто-лiття i до сьогодення результатами дослщжень було доведено [2, 6, 13], що пластична дефор-мащя значно сприяе полiпшенню механiчних характеристик бшого чавуну, перетворюючи його в матерiал з унiкальним комплексом властивостей, що поеднуе високу твердють, зносо-стiйкiсть [5], мiцнiсть, здатшсть протистояти ударним навантаженням i коливанням темпера-тури. Позитивно впливае пластичне деформування i на властивосп сiрих особливо високо-мiцних чавушв. Пюля обробки тиском значно полшшуеться демпфiрувальна здатнiсть цих сплавiв [7, 12, 14-16].
Принципова можливють деформування б> лих чавунiв доведена низкою робгг вчених, у яких проанатзовано деякi склади та режими обробки тиском бшого чавуну, а також пропо-
нусться застосовувати деформований чавун як матерiал для прокатних валкiв, деталей i вузлiв машин [11, 18]. Але низький рiвень пластично-ст в литому станi унеможливлюе використання обробки тиском цих сплавiв у промислових умовах. Керування структуроутворенням у б> лих чавунах для шдвищення !х пластичностi е актуальною i важливою проблемою. Важливо також скористатися досвщом дослiдження пла-стичностi високовуглецевих легованих сталей ледебуритного класу, що е структурними аналогами бiлих чавушв [9]. Але принципова вщ-мшшсть цих сплавiв полягае в тому, що у евте-ктиках на базi спецiальних карбiдiв матричною фазою е пластичний аустенiт, а в ледебурит бiлих чавунiв - крихкий цементит. Отримання в чавунах евтектично! складово! на базi спеща-льних карбiдiв, таких як Сг7С, УС, ТЮ та iн., потребуе високого легування [3, 17]. Таким чином, дослщження впливу термiчно! обробки на структурш змiни в бших чавунах, що приводять до шдвищення !х пластичностi, е актуальним завданням.
Мета
Метою роботи е використання термiчно! обробки бiлого чавуну для змши структури його евтектично! складово!, а саме, порушення мо-нонолiтно! будови цементитного каркасу леде-буритних колонiй i суцiльностi евтектично! сгг-ки, а також змша !! розташування на бiльш сприятливе з позицi! пластично! деформацi!.
Методика
У робот виконано дослiдження доевтектич-них бiлих чавунiв з рiзним вмiстом вуглецю 2,92...3,35% та хрому 0,5.. .0,7 % (для гаранто-ваного вщбшу), що названi в робот нелегова-ними, а також легованого ванадiем 3,81 %, при-чому структура цього сплаву в литому сташ складаеться з дендритiв аустешту та суцiльно! евтектично! сiтки, колони яко! переважно яв-ляють собою ледебурит стшьниково! будови.
Для вивчення впливу перекристатзаци на структурнi змши в бшому чавунi проводили вщпали з багаторазовими iзотермiчними ви-тримками за рiзними режимами: режим 1 - при 1 050 °С або 1 140 °С , 10 год або 20 год; режим 2 - 860 °С, 2 год + 680 °С, 4 год; режим 3 - дворазове проведення режиму 2; режим 4 -
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
860 °С, 2 год + 680 °С, 4 год + 1 000 °С, 5 год; а також термоциклювання: на^вання до 950 °С, витримка 5 хв i охолодження на повiтрi.
Рiвень пластичностi визначали з допомогою випробувань на гаряче скручення на машинi СМЕГ-10-Т.
Результати
Металографiчний аналiз зразкiв, вiдпалених при температурi 1 050 °С i 1 140 °С, показав, що при цих температурах уже тд час 10-тигодинно! витримки наявнi процеси фор-мозмiни кристалiв цементиту й аустешту, а саме сферо!дизащя та коалесценщя (рис. 1).
При цьому ледебуритний карбщ стае ще бiльш монолiтним.
Рис. 1. Сферо!дизац1я 1 коалесценщя цементиту 1 аустешту в процеа 10-тигодинно!' витримки. Травления електролггичне:
а - 1 050 °С; б - 1 040 °С х500
При поясненнi описаних процешв слiд ви-ходити з рiвняння Томсона [3]:
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Хг = x®e2oMV/RTr,
де Хда - концентрацiя вуглецю у твердому роз-чинi при плоскiй меж роздiлу з карбiдом; Хг -концентращя вуглецю в розчинi, рiвноважному з карбiдом на межi роздшу з радiусом кривизни г; M, V - молекулярна вага та питомий об'ем карбщу; R, T - газова стала i температура; о -мiжфазна поверхнева енерпя.
У тонких гшочках ледебуритного аустешту вмют вуглецю знижений, тому що поверхня карбiду тут увiгнута й характеризуеться малим радiусом кривизни. Вмют вуглецю в плоских базових дендритах аустенiту колонiй i в товс-тих гiлках первинного аустенiту набагато вище. Оскiльки гiлочки ледебуритного аустешту по-в'язанi або з плоскими дендритами евтектично-го аустенiту, або з гшками первинного аустеш-ту, мiж ними можливий дифузiйний обмш вуг-лецем. Вуглець з великих гшок аустенiту пере-мiщуеться на дрiбнi гiлочки евтектичного аустенiту. Ц гiлочки, насичуючись вуглецем, трансформуються в карбщ. Великi дiлянки аустешту, збiднюючись вуглецем, стають ненаси-ченими, у них розчиняеться частина карбщу. У результатi тонкi гiлки ледебуритного аустешту перетворюються в карбщ, а гшки первинного i велик дiлянки ледебуритного аустенiту товщають.
Проте при температурi 1 050 °С ледебуритнi колонн ще збернають свою закономiрну будо-ву й розташування, хоча евтектичнi карбiди стають бшьш монолiтними.
Пiсля вiдпалу при температурi 1 140 °С структура чавуну складаеться з окремих цемен-титних монолiтних включень i твердого розчи-ну (продуктiв його розпаду). Евтектична сiтка фактично розбиваеться, проте дшянки цементиту залишаються досить великими й можуть служити джерелами зародження трщин при деформацп. Величина цементитних дiлянок 10-3-5-10-3 см.
Таким чином, шдвищення температури на-грiву викликае прискорення процешв сферо!ди-зацн i коалесценцп структурних складових, проте 10-тигодинний вiдпал навiть при температурах, досить близьких до температури опла-влення, не приводить до формування структу-ри, бшьш сприятливо! для пластично! деформацп, а саме до роздшення евтектичного цементиту й розосередження його у твердому
розчинi, хоча безперервнють евтектично! сiтки бiльшою чи меншою мiрою порушуеться.
Структура бiлого чавуну шсля проведення вiдпалу за режимом 2 практично не змшюеться (рис. 2).
Рис. 2. Структура бшого чавуну тсля одноразового двоступеневого ввдпалу, х 500
Вщпал за режимом 2 повторювали дворазо-во 1 чотириразово. Температура вищого ступени (860 °С) вибиралася з розрахунку бшьш повно-го переведення продукпв евтектощного розпаду в аустештний стан, а бшьш низько! (680 °С) - для повного евтектощного розпаду аустешту й сферощизацн продукпв перетворення.
При дворазовому та чотириразовому повто-ренш вщпалу за режимом 2 колонн стшьнико-вого ледебуриту частково трансформуються в колонн, що нагадують пластинковий ледебурит (рис. 3). Вщбуваеться з'еднання дшянок евтектичного аустешту - «стшьниюв». У цементит! виникають субмеж1, за якими здшснюеть-ся роздшення цементиту й з'еднання аустешт-них дшянок. Передумовою виникнення цих субмеж е сам мехашзм утворення стшьниково-го ледебуриту тд час кристал1зацн. Цементит при пошаровому зростанш може трохи випере-джати аустештш прошарки. Про це свщчить прямолшшнють { ор1ентащя цементитних бло-юв, а також форма фронту кристал1зацп евтек-тики. Бшя аустештних пластин рщина збагачу-еться домшками, на кромках з'являються ви-ступи (рис. 4).
Зростання аустештних вистушв призводить до збагачення рщини, що !х роздшяе, вуглецем. Починаеться проростання цементиту в пром1ж-ках м1ж виступами. Оскшьки воно вщбуваеться
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
в площиш (001), яка характеризуемся найсиль-нiшими мiжатомними зв'язками в цементип, то швидюсть проростання велика. Мiж сусiднiми блоками утворюються перетинки (рис. 4), плас-тинкова структура переходить в стрижневу, що притаманна так званому стшьниковому ледебуриту. Мюця змикання цементитних пластин бiльш дефекты й збагаченi домшками, тому тут полегшено формування субструктури.
Рис. 3. Трансформащя стiльникового ледебуриту в колони, що нагадують пластинковий ледебурит. Електролггичне травлення: а - шсля режиму 3, х 1 000; б - шсля чотириразового повторения режиму 2; в - июля режиму 4; х 500
Поряд з цим наявне роздiлення цементитних пластин за мехашзмом, що описаний в робот [1]. Згiдно з ним рашше плоска мiжфазна по-верхня аустенiту й карбiду втрачае стшюсть з розвитком субзернисто!' структури. У напрям-ку меж аустенiту карбщ розростаеться, а вздовж власних меж розчиняеться.
Рис. 4. Схема переходу пластинково1 структури ев-тектики в стшьникову при кристалiзацii [2]
Утворення субзерниста структури також сприяе розвитку сферощизацп завдяки, напри-клад, створенню шлях1в полегшеноi дифузп атомiв [1, 22], з перемщенням яких пов'язане перепакування грат карбiду й аустенгту.
У процесi вiдпалу iз багатьма витримками в результатi а ^ у перетворення, а також рiз-ницi коефiцiеитiв теплового розширення цементиту й аустешту наявний фазовий наклеп, а слiдом за ним i рекристалiзацiя, що призво-дять до утворення субструктури в обох фазах.
1з збiльшенням температури третього ступе-ня вiдпалу (режим 4) розподш i сферощизащя евтектичного цементиту прискорюються. Структура чавуну, обробленого за режимом 3 i 4, на-
а
б
в
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
ближаеться до структури пiсля чотириразового накладення вiдпалу за режимом 2, але все ж бiльш пом^но трансформування стiльникового ледебуриту в колони, подiбнi пластинковому ледебуриту. Проте структура бшьш сферощизо-вана пiсля обробки за режимом 4. Причиною цього е шдвищення не тшьки температури, але й часу останньо! iзотермiчноl витримки.
гатоступеневих вiдпалiв (режим 3 та 4). Вплив термоциктчно! обробки особливо позначаеться при подальшому накладенш високотемперату-рно! витримки. Пiд час цього ступеня реалiзу-еться шдвищення дефектносп кристатчно1 бу-дови, що мае особливо важливе значення для розвитку процесу рекристатзаци. У свою чер-гу, виникнення нових меж сприяе подшу й сфе-рощизаци цементиту (рис. 5). У цьому випадку евтектична штка повнютю розбиваеться, цемен-титш включення розосереджуються у твердому розчиш поряд iз вторинними карбiдами.
Для дослщжень впливу попереднього вщпа-лу з а ^ у перетворення зразки чавуну з вмю-том вуглецю 3 % пiддавали вщпалу згiдно з режимом 3. Пюля тако! обробки виконували випробування на гаряче кручення (рис. 6).
Рис. 5. Структура бшого чавуну шсля термоци-
кл1чно1 обробки (950^20 °С), х 500: а - до накладення високотемпературного вщпалу; б - тсля подальшого 5-тигодинного вщпалу при 1 000°С
Ефективно впливае на структурш змши й термоциклювання. Багаторазов1 нагр1ви та охолодження викликають накопичення дефекта кристал1чно1 будови структурних складових за рахунок р1зно1 теплопровщносп й коефщен-т1в теплового розширення фаз. Пюля восьмира-зового термоциклювання (950 ^ 20 °С) у структур1 чавуну вщбуваються змши (рис. 5), под1бш тим, яю спостерпаються в процес ба-
в 5 S 3 I
я и
I 4
S
>>
о.
о
« 3
и ■р
а
3.35%С
2,92%С
3,35%стсля
- 2,34КС
900 950 1000 1050
Температура,°С
1100
Рис. 6. Результат випробування на гаряче кручення
нелегованих бших чавушв з р1зним вмютом вуглецю, який тддавали шсляливарному ввдпалу та додатковш терм1чнш обробщ.
Зютавивши отримаш результати, можна зро-бити висновок, що р1вень пластичносп бшого чавуну з шдвищенням вмюту вуглецю знижу-еться. Проте р1вень пластичносп сплаву, що мютить 2,92 % С, тсля попередньо! терм1чно1 обробки, а саме застосування режиму 3, майже вщповщае р1вню пластичност чавуну, що мю-тить 2,34 % С, тобто в структур1 мае набагато меншу частку евтектичних колонш.
б
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Таким чином, шсля запропонованого багато-ступеневого вщпалу пластичтсть чавуну, що мь стить 2,92 % С, тдвищилася приблизно на 20 %.
Для вивчення впливу структурних складо-вих бiлого чавуну, легованого ванадieм, на рь вень гарячо! пластичносн використовували сплав з вмiстом вуглецю 3,16 % i ванадiю 3,81 %. Випробування виконували на зразках, шдданих рiзним попереднiми обробкам:
1) лип зразки, вiдпаленi за режимом 1 000 °С 3 год, 680 °С 4 год;
2) лип зразки, пiдданi подвiйному вщпалу: 1 000 °С 3 год, 680 °С 4 год, охолодження на повiтрi, 1 000 °С 5 год, 680 °С 4 год.
Початкова структура зразюв до випробу-вання наведена на рис. 7.
Рис. 7. Мжроструктура дослщного чавуну, що мютить 3,16 % С i 3,81 % V, шдданого тепловш обробщ, х 1 000. Теплове травлення:
а - шсля вщпалу 1 000 °С 3 год, 680 °С 4 год; б - тсля дворазового в1дпалу 1 000 °С 3 год, 680 °С 4 год + 1 000 °С 5 год, 680 °С 4 год
Характер температурно! залежностi пластичносн для чавуну, легованого ванадieм, такий самий, як i для нелегованого сплаву, тобто кри-вi мають куполоподiбну форму (рис. 7).
Максимальна кшьюсть обертiв до руйну-вання спостерiгаeться в iнтервалi температур 1 050-1 100 °С, незалежно вщ попередньо! об-робки зразкiв i вiдповiдаe рiвню пластичностi деяких швидкорiзальних сталей, наприклад таких, як Р6М5 [8, 9].
Вщпал з подвшною перекристалiзацieю призводить до тдвищення рiвня пластичностi, який при вшх температурах випробуваннях вищий, нiж при одноразовому вщпаль Особливо значний прирют пластичностi в цьому випа-дку спостерiгаeться при бiльш низьких температурах 950-1 050 °С. Кшьюсть обертiв до руй-нування в цьому iнтервалi температур збшьшу-еться майже в 1,5 разу, порiвняно зi зразками, вiдпаленими одноразово. У результат цього вщ-бувасться розширення температурного штерва-лу, сприятливого для деформування (рис. 8).
с 8
оГ =
£ 7 ев
Я ¡~
щ 6
О П
я ■р
& 4 ю о
■в т
<j
"Э
гП '
—Я— 1 ПРЯЛИЛЛ
i— II ре> КИМ
900 950 1000 1050 1100 Тсмпсратура,°С
Рис. 8. Гаряча пластичшсть при крученш чавуну з 3,16 % С i 3,81 % V. Попередня обробка:
I - 1 000 °С, 3 год, 680 °С, 4 год; II - 1 000 °С, 3 год; 680 °С, 4 год; охолодження на повпрц 1 000 °С, 5 год; 680 °С, 4 год
Збшьшення кiлькостi витримок, за яких вщ-буваеться а ^ у перехщ, мае позитивний вплив на розвиток карбщного перетворення
б
Наука та прогрес транспорту. В!сник Дшпропетровського надюнального ушверситету залоничного транспорту, 2013, № 6 (48)
(Бе, У)3 С ^ УС + А + Бе3С в ледебурит! чавушв, легованих ванад!ем [8, 9]. Тому в структур! зразк!в, в!дпалених дв!ч!, вид!ляеться б!льша к!льк!сть ванад!евих карб!д!в, н!ж у раз! одноразово! фазово! перекристал!зац!!. Утворення аустен!тних прошарк!в навколо нових карб!д!в ванад!ю ! !х злиття призводить до розд!лення цементитних кристал!в. Кр!м того, вони д!лять-ся по власних субмежах, появ! яких сприяе фа-зовий наклеп ! рекристал!зац!я, що спостер!га-ються за такого режиму теплово! обробки.
Таким чином, ще до деформування порушу-еться монол!тн!сть цементитного каркасу в ле-дебур!т!, а також зб!льшуеться протяжн!сть м!жфазних меж цементит/карб!д ванад!ю.
Рис. 9. Структурш змши у ванад!евих чавунах у процес гарячого кручення, х 500:
а - поблизу переходу робочо! частини зразка у захвати; б - поблизу мюця руйнування
Особливо в!дчутно це позначаеться при температурах 950-1 020 °С. Початкова структура дворазово в!дпалених зразк!в виявляеться б!льш п!дготовленою для деформування. У цьому !нтервал! зразки, оброблен! за режимом дворазового повторення в!дпалу, мають найвищ! показники пластичност! (рис. 8).
Досл!дження м!кроструктури випробуваних зразк!в показали, що !снуе нер!вном!рн!сть де-формац!! по довжин! зразка в!д м!сця руйнування до захват!в (рис. 9).
Як ! у випадку з нелегованими б!лими чаву-нами, у поздовжньому перер!з! структура зм!-нюеться в!д сильно деформовано! до структури, що майже не зазнала зм!н.
У процес! високотемпературно! витримки може в!дбуватися також под!л цементиту в результат! розчинення по субмежах. Це, у свою чергу, порушуе безперервн!сть цементитно! оболонки в ледебуритних колон!ях ще до завер-шальних акт!в деформування. Ефективн!сть тако! обробки зростае з шдвищенням темпера-тури в!дпалу. При деформуванн! цементитн! кристали безперешкодно д!ляться по субмежах, а також по м!жфазних межах карб!д!в зал!за ! ванад!ю (рис. 10).
Рис. 10. Роздшення кристал!в цементиту по утворе-них субмежах та межах УС /(Бе,У)3С, х 850.
Теплове травления
Таким чином, попередня обробка ванад!ево-го чавуну, що викликае розвиток карб!дного перетворення, у результат! якого в!дбуваеться розчленування цементиту евтектичних колонш, сприяе суттевому шдвищенню р!вня пластичност! сплаву.
а
б
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Наукова новизна та практична значимкть
1. Теплова обробка, що включае багаторазо-ву фазову перекристатзащю, сприяе порушен-ню монол^носи цементитного каркасу ледебу-ритних колонш i суцшьносп евтектично1 сггки. У процесi багаторазового вщпалу спостерпа-еться трансформацiя колонш стiльникового ледебуриту в колони, будова яких нагадуе плас-тинковий ледебурит, при цьому роль матрично1 фази переходить вщ цементиту до аустешту.
2. Пiд час дослщження структурних змiн у нелегованих бших чавунах у процесi пластично!' деформацп при температурах 950-1 120 °С встановлено, що пластичнiсть бшого чавуну за-лежить вiд кшькосп евтектики, особливостей ïï будови i розташування. Вищу пластичнiсть мають чавуни, евтектика яких не утворюе су-цiльноï сггки i колонiï ледебуриту мають плас-тинкову будову. Пластинковий ледебурит бшьш бажаний з позицiï пластичностi чавуну, оскшьки в ньому матрицею е аустешт, на вiдмiну вiд сп-льникового ледебуриту, де матрицею е крихкий цементит.
3. Тривала витримка при температурах вище 1 000 °С сприяе сферощизацп та коалесценцiï евтектичних карбадв та призводить до утво-рення бшьш грубо!' структури, яка не сприяе пщвищенню пластичностi.
4. Термоциклювання в поеднаннi з подаль-шою високотемпературною витримкою сприяе формуванню структури, яка складаеться з iзо-льованих цементитних включень, розгалужених у твердому розчинi, що е сприятливим з позицiï пластичностi бшого чавуну.
5. Подвшна фазова перекристашзащя викли-кае фазовий наклеп у фазах, сприяе виникненню субзернистих меж та роздшенню по них евтектичних карбщв. Використання попереднього вiдпалу з подвшною а ^ у перекристaлiзaцiею при температурах 860-950 °С та подвшною пер-лiтизaцiею при 720-680 °С сприяе суттевому пiдвищенню плaстичностi як в нелегованих, так в легованих ванащем бiлих чавунах.
6. Ледебуритш чавуни, що леговaнi ванащ-ем, мають тдвищену плaстичнiсть. Пластична деформащя iнiцiюе кaрбiднi перетворення, що вщбуваються як у процесi високотемператур-ного вщпалу, так i в ходi безпосередньо!' дефо-рмaцiï вaнaдiевих чавушв. Видiлення кaрбiдiв
ванадiю, що викликають додаткову напругу при деформацп i нагрiваннi, сприяе фрагмента-цп цементитних кристалiв.
7. Утворення карбiдiв УС при карбщному перетвореннi в легованому ванащем цементитi iстотним чином сприяе пщвищенню пластич-ностi сплаву. При деформацп вщбуваеться роз-дiлення карбщних кристалiв по нових мiжфаз-них кордонах. Утворення нових фаз перешко-джае зародженню трiщин i зупиняе !х поши-рення в карбщах i на !х мiжфазнiй поверхш.
Використання попереднього вiдпалу з фазо-вою перекристалiзацiею дозволило пiдвищити пластичтсть доевтектичних бiлих чавунiв. Отриманий рiвень пластичностi чавуну вщпов> дае рiвню пластичностi сталей карбiдного класу, наприклад швидкорiзальних. Це дозволяе реко-мендувати використання дано! попередньо! об-робки для забезпечення успiшного деформуван-ня доевтектичних бiлих чавунiв куванням та ва-льцюванням в промислових умовах.
Висновки
1. Результати виконаних дослщжень показали, що за допомогою вiдпалiв з багаторазовою фазовою перекристалiзацiею можна впливати на структуру евтектично! складово! бiлих чавунiв.
2. Карбщш перетворення, що вiдбуваються в легованому ванащем цементитi, сприяють суттевому пщвищенню пластичносн ледебури-тного чавуну, майже до рiвня сталей карбщного класу, що пiдлягають обробцi тиском.
3. Завдяки використанню розроблених режишв попереднiх вiдпалiв, а також склащв економно легованих бiлих чавунiв, рекомендовано застосу-вання пластичного деформування цих сплавiв для виробництва деталей пщвищено! зносостiйкостi.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Баранов, А. А. О сфероидизации эвтектического карбида быстрорежущей стали / А. А. Баранов, Л. И. Иванов // Металлофизика. - 1968. -Вип. 27 - С. 91-94.
2. Баранов, С. А. Ковка чугуна / С. А. Баранов // Сообщения Всесоюзного ин-та металлов. -1931. - № 8. - С. 22-25.
3. Бунин, К. П. Основы металлографии чугуна / К. П. Бунин, Я. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран. -М. : Металлургия, 1969. - 415 с.
4. Вакуленко, И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформи-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
ровании / И. А. Вакуленко. - Д. : Gaudeamus, 2003. - 94 с.
5. Вакуленко, I. О. Втома металевих матер1ал1в в конструкциях рухомого складу / I. О. Вакуленко. - Д. : Маковецький, 2012. - 152 с.
6. Витмоззер, А. Деформация чугунов / А. Вит-моззер // Проблемы современной металлургии.
- 1955. - № 4 (22). - С. 104-117.
7. Исследование особенностей структурообразо-вания высокопрочного чугуна при плазменной обработке / В. И. Гуринович [и др.] // Литье и металлургия : ежеквартальный научно -произв. журн. - 2012. - № 2. - С. 129-133.
8. Мигачев, Б. А. Пластичность инструментальных сталей и сплавов : справ. / Б. А. Мигачев, А. И. Потапов. - М. : Металлургия, 1980. - 88 с.
9. Миронова, Т. М. О механизмах влияния фазовых переходов на поведение эвтектических карбидов при деформировании / Т. М. Миронова, Т. Р. Донская, А. Ю. Сидорова // Вюн. Дншро-петр. ун-ту. Сер1я «Ф1зика, радюелектрошка».
- Д., 2012. - Т. 20, № 2. - С. 97-104.
10. Миронова, Т. Повышение пластичности белого чугуна методом инициирования фазовых превращений в эвтектическом цементите / Т. Миронова // New Technologies and Achievements in Metallurgy and Materials Engineering. - 2012. -№ 24. - Р. 252-256.
11. Миронова, Т. М. Структура и свойства деформируемых чугунов / Т. М. Миронова, В. З. Ку-цова. - Д. : Дриант, 2009. - 190 с.
12. Петрушин, Г. Д. Неупругие свойства высокопрочного чугуна с деформированным графитом / Г. Д. Петрушин, А. Г. Петрушина, С. А. Головин // МиТОМ. - 2011. - № 2. - С. 27-33.
13. Погодин-Алексеев, Г. И. Обработка давлением отливок белого чугунка / Г. И. Погодин-Алексеев // Вестн. машиностроения. - 1951. -№ 14. - С. 57-60.
14. Покровский, А. И. Горячая пластическая деформация чугуна: структура, свойства, технологические основы / А. И. Покровский. - Минск : Белорусская наука, 2010. - 256 с.
15. Покровский, А. И. Пластическое течение включений цементита и графита при обработке давлением чугуна / А. И. Покровский // Литье и металлургия : ежеквартальный научно-произв. журн. - 2013. - № 1. - С. 88-95.
16. Пономарев, А. С. Совершенствование технологии изготовления осесимметричных изделий из высокопрочного чугуна за счёт выбора термомеханических режимов : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.09 / Пономарев Андрей Сергеевич ; Моск. гос. технол. ун-т "Станкин". - М., 2011. - 118 с.
17. Сильман, Г. И. Белые легированные чугуны с композиционной структурой / Г. И. Сильман // МиТОМ. - 2005. - № 7. - С. 94-100.
18. Скобло, Т. С. Исследование пластичности чугуна для прокатных валков / Т. С. Скобло, Э. Л. Воробьева // Сортопрокатное пр-во. -1973. - № 6. - С. 105-111.
19. Фирстов, С. А. Титановые «чугуны» и титановые «стали» / С. А. Фирстов, С. В. Ткаленко, Н. Н. Кузьменко // МиТОМ. - 2009. - № 1. -С. 14-29.
20. Щербединский, Г. В. Чугун как перспективный материал ХХ1 столетия / Г. В. Щербединский // МиТОМ. - 2005. - № 7. - С. 83-93.
21. Carbide Transformations Eutectic Cementite During The Hot Working of Chromium Vanadium Alloid White Irons / P. F. Nichnicovskaya, T. M. Mironova, Ju .N. Taran et al. - Pittsburg : The Minerals & Metals Society, 1993. - 51 p.
22. Mittemeijer, Eric J. Fundamentals of Materials Science / Eric J. Mittemeijer. - New York : Springer, 2011. - 500 p.
Т. М. МИРОНОВА1*
1 Каф. «Материаловедение им. академика Ю. М. Тарана», Национальная металлургическая академия Украины, пр. Гагарина, 4, Днепропетровск, Украина, 49600, тел. +38 (067) 71 38 365, эл. почта t.myronova@mail.ru
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ
Цель. Разработка режимов термической обработки белого чугуна для изменения структуры их эвтектической составляющей, а именно: нарушение монолитного строения цементитного каркаса ледебуритних колоний и сплошности эвтектической сетки, а также изменение ее расположения на более благоприятное, с точки зрения пластической деформации. Методика. В качестве материалов использовали доэвтектические белые чугуны с разным содержанием углерода (2,92...3,35 %), а также с дополнительным легированием ванадием 3,81 %. Сплавы подвергали предварительным отжигам и испытывали на горячее кручение. Результаты. В результате исследований было показано, что дробление карбидной сетки с помощью
© Т. М. Миронова, 2013
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету затзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
пластического деформирования способствует улучшению механических свойств белых чугунов, однако имеет трудности в применении, которые обусловлены их низкой пластичностью. Изучено влияние различных режимов предварительных отжигов, которые включали изотермические выдержки при разных температурах, а также их многократное повторение и термоциклирование на структуру и пластичность белых доэвтектических чугунов. Исследовано влияние степени эвтектичности и предварительной термической обработки на горячую пластичность белых чугунов разных составов. Научная новизна. Установлено, что термическая обработка, которая вызывает фазовую двойную а ^ у перекристаллизацию при температурах 860-950 °С и перлитизацию при 720-680 °С, способствует существенному повышению пластичности как в нелегированных, так и легированных ванадием белых чугунах. Это происходит за счет деления матричной карбидной фазы в колониях ледебурита новыми фазовыми границами, особенно за счет карбидного превращения при легировании ванадием. Практическая значимость. Применение предварительного отжига с фазовой перекристаллизацией позволило повысить пластичность доэвтектических белых чугунов. Полученный уровень пластичности чугуна соответствует пластичности сталей карбидного класса, что обеспечит успешную деформацию ковкой и прокаткой.
Ключевые слова: белые чугуны; износостойкость; эвтектические карбиды; деформирование; термическая обработка; фазовые превращения; пластичность
T. M. MYRONOVA1*
1 Dep. «Material Science named after Yu. M. Taran», National Metallurgical Academy of Ukraine, Gagarin Av., 4, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49600, tel. +38 (067) 713 83 65, e-mail t.myronova@mail.ru
THE INFLUENCE OF PRE-HEAT TREATMENT ON WHITE CAST IRONS PLASTICITY
Purpose. The development of heat treatment modes of white cast irons for structure changes in their eutectic constituent, namely in disturbing the monolithic structure of ledeburite colonies cementite structure and eutectic net continuity. Also the mentioned heat treatment modes are targeted to the eutectic net shift for the most suitable position from the point of plastic deforming. Methodology. The hypoeutectic white cast irons with 2.92.. .3.35% carbon content and additionally alloyed by 3.18% vanadium have been used as the research materials. The mentioned alloys have been pre-heat treated and hot twist tested. Findings. The research results showed that the carbide net breaking by plastic deforming leads to cast irons mechanical properties increasing but has difficulties in implementation due to the white cast irons low plasticity. The influence of different pre-heat treatment modes on structure and plasticity of white hypoeutectic cast irons have been investigated. They include the isotherm soaking under the different temperatures as well as multiply soakings and thermo-cycling. The influence of eutectic level, as well as pre heat treatment modes on different composition white cast irons hot plasticity have been investigated. Originality. It was determined that the heat treatment, which leads to double а ^ у recrystallization under 860-950°С and reperlitization under 720-680°С results in significant increase of plasticity, as well as in un-alloyed and alloyed by vanadium white cast irons. It takes place due to carbide matrix phase separation in ledeburite colonies by new phase boundaries forming especially due to carbide transformations under vanadium alloying. Practical value. The implementation of pre-heat treatment with phase recrystallization resulted in hypoeutectic white cast irons plasticity increasing. The obtained level of cast iron plasticity corresponds to the one of carbide class steels, which ensures the successful deformation by forging and rolling.
Keywords: white cast irons; wear resistance; eutectic carbides; deforming; heat treatment; phase transformations; plasticity
REFERENCES
1. Baranov A.A., Ivanov L.I. O sferoidizatsii evtekticheskogo karbida bystrorezhushchey stali [About spheroidi-zation of eutectic carbide of the fast-cutting steel]. Metalofizika [Physics of metals], 1968, issue 27, pp. 91-94.
2. Baranov S.A. Kovka chuguna [Cast iron smithing]. Soobshcheniya Vsesoyuznogo instituta metallov - Reports of All Union Institute of Metals, 1931, no. 8, pp. 22-25.
3. Bunin K.P., Malinochka Ya.N., Taran Yu.N. Osnovy metallografii chuguna [Fundamentals of cast iron metallography]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1969. 415 p.
4. Vakulenko I.A. Struktura i svoystva uglerodistoy stali pri znakoperemennom deformirovanii [Structure and properties of the carbon steel during alternating deformation]. Dnipropetrovsk, Gaudeamus Publ., 2003. 94 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2013, № 6 (48)
5. Vakulenko I.O. Vtoma metalevykh materialiv v konstruktsiiakh rukhomoho skladu [Fatigue of metallic materials in the construction of rolling stock]. Dnipropetrovsk, Makovetskyi Publ., 2012. 152 p.
6. Vitmozzer A. Deformatsiya chugunov [Cast iron deformation]. Problemy sovremennoy metallurgii - Problems of Modern Metallurgy, 1955, no. 4 (22), pp. 104-117.
7. Gurinovich V.I. Issledovaniye osobennostey strukturoobrazovaniya vysokoprochnogo chuguna pri plazmennoy obrabotke [Investigation of the features of structure formation of high-stress cast iron during plasma processing]. Litye i metallurgiya - Casting and Metallurgy, 2012, no. 2, pp. 129-133.
8. Migachev B.A., Potapov A.I. Plastichnost instrumentalnykh staley i splavov [Plasticity of instrument steels and alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1980. 88 p.
9. Myronova T.M., Donskaya T.R., Sidorova A.Yu. O mekhanizmakh vliyaniya fazovykh perekhodov na povedeniye evtekticheskikh kaibidov pri deformirovanii [On the influence mechanisms of the phase transitions to the behavior of eutectic carbides during deformation]. VisnykDnipropetrovskoho universytetu. Seriia "Fizyka, radioelektronika" [Bulletin of Dnipropetrovsk University. Series "Physics, electronics"], 2012, vol. 20, no. 2, pp. 970-104.
10. Myronova T. Povysheniye plastichnosti belogo chuguna metodom initsiirovaniya fazovykh prevrashcheniy v evtekticheskom tsementite [Plasticity increase of the white cast iron by the initiation of phase transformations in the eutectic cementite]. New Technologies and Achievements in Metallurgy and Materials Engineering, 2012, no 24, pp. 252-256.
11. Myronova T.M., Kutsova V.Z. Struktura i svoystva deformiruyemykh chugunov [Structure and properties of the deformed cast irons]. Dnipropetrovsk, Driant Publ., 2009. 190 p.
12. Petrushin G.D., Petrushina A.G., Golovin S.A. Neuprugiye svoystva vysokoprochnogo chuguna s deformirovannym grafitom [Inelastic properties of high-strength cast iron with deformed graphite].
Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2011, no. 2, pp. 27-33.
13. Pogodin-Alekseyev G.I. Obrabotka davleniyem otlivok belogo chuguna [Pressing of castings from white cast iron]. Vestnikmashinostroyeniya - Bulletin of Mechanic Engineering, 1951, no. 14, pp. 57-60.
14. Pokrovskiy A.I. Goryachaya plasticheskaya deformatsiya chuguna: struktura, svoystva, tekhnologicheskiye osnovy [Hot plastic deformation of cast iron: structure, properties, technological bases]. Minsk, Belorusskaya nauka Publ., 2010. 256 p.
15. Pokrovskiy A.I. Plasticheskoye techeniye vklyucheniy tsementita i grafita pri obrabotke davleniyem chuguna [Plastic flow of cementite and graphite inclusions in cast iron during pressing]. Litye i metallurgiya - Casting and Metallurgy, 2013, no. 1, pp. 88-95.
16. Ponomarev A.S. Sovershenstvovaniye tekhnologii izgotovleniya osesimmetrichnykh izdeliy iz vysokoprochnogo chuguna za schet vybora termomekhanicheskikh rezhimov. Kand. Diss. [Improvement manufacturing technology of axisymmetric products of high-strength cast iron by selecting the thermomechanical modes. Cand. Diss.]. Moscow, 2011, 118 p.
17. Silman G.I. Belyye legirovannyye chuguny s kompozitsionnoy strukturoy [White alloyed cast irons with composition structure]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2005, no. 7. pp. 94-100.
18. Skoblo T.S., Vorobyeva E.L. Issledovaniye plastichnosti chuguna dlya prokatnykh valkov [Study of cast iron plasticity for mill rolls]. Sortoprokatnoye proizvodstvo - Mill for Rolling Production, 1973. no. 6, pp. 105-111.
19. Firstov S.A., Tkalenko S.V., Kuzmenko N.N. Titanovyye «chuguny» i titanovyye «stali» [Titanium "irons" and titanium "steels"]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2009, no. 1, pp. 14-29.
20. Shcherbedinskiy G.V. Chugun kak perspektivnyy material XXl stoletiya [Cast iron as a promising material of the XXl century]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov - Metal Science and Heat Treatment of Metals, 2005, no. 7, pp. 83-93.
21. Nichnicovskaya P.F., Myronova T.M., Taran Ju.N., Pirogova E.V., Decker R.F. Carbide Transformations Eutectic Cementite During The Hot Working of Chromium Vanadium Alloid White Irons. Pittsburg, The Minerals & Metals Society Publ., 1993. 51 p.
22. Mittemeijer Eric J. Fundamentals of Materials Science. New York, Springer Publ., 2011. 500 p.
Стаття рекомендована до публтацп д.т.н., проф. В. Ю. Карповим (Украта); д.т.н.,
проф. I. О. Вакуленком (Украта)
Надшшла до редколегп 05.08.2012
Прийнята до друку 04.11.2013
