CC BY
46
УДК 621.91.01 DOI: 10.30977/В^.2219-5548.2018.82.0.86
ВПЛИВ ТЕРМ1ЧНО1 ОБРОБКИ НА ОБРОБЛЮВАН1СТЬ ВИСОКОМ1ЦНОГО
ЧАВУНУ
Лалазарова Н.О., Донченко Д.О., ХНАДУ, Путятша Л.1., УкраУнський державний ушверситет зал1зничного транспорту
Анотаця. Використання високомщного чавуну з кулястим граф1том у машинобудувант стримуеться недостатньою його оброблювамстю р1занням. Чавун характеризуется значною х1м1чною та структурною неоднор1дтстю, що однозначно пов'язана з оброблювамстю 7 визначаеться коефщентом неоднор1дност1. Для покращення оброблюваност1 запропоновано терм1чну обробку, за допомогою яког можна спрямовано змтювати структуру, тобто змен-шувати неоднор1дтсть.
Ключов1 слова: високомщний чавун з кулястим графтом, неоднор1дтсть, оброблювамсть, терм1чна обробка.
Вступ
Сучасний рiвень розвитку техшки вимагае використання високомщних чавушв iз кулястим графтом (ВЧКГ), що мають високий р> вень конструкцшно! мщносп, а саме: високу твердють i мщшсть у поеднанш зi значною пластичшстю й ударною в'язюстю.
ВЧКГ мае широкий дiапазон експлуата-цiйних властивостей. У зв'язку з цим його використовують у багатьох галузях технiки замiсть лито! i ковано! сталi, сiрого та ковкого чавушв. Наприклад, номенклатура вщли-вок з високомiцного чавуну, освоена в авто-мобiлебудуваннi та сшьськогосподарському машинобудуваннi: колiнчастi й розподшьш вали; блоки цилiндрiв; кронштейни та пальщ ресор; кришки пiдшипникiв; поршневi кшь-ця; картер заднього моста; зубчасп колеса; шатуни та ш. ВЧКГ знаходить вживання при виготовленш деталей високо! втомно! мщносп, зносо- та корозшно! стiйкостi [1-5].
Однак бшьш широке використання висо-комiцного чавуну стримуеться його невисо-ким рiвнем оброблюваностi [6].
Анал1з публжацш
Оброблюванiсть рiзанням - це комплекс понять, що визначаеться станом оброблюва-ного матерiалу, рiзального iнструменту i характером !х взаемодп. Вона е найважлившим чинником, що впливае на продуктившсть, якiсть i собiвартiсть продукцп. Як показниюв оброблюваностi доцiльно використовувати таю, яю характеризують:
1. стан оброблюваного матерiалу (якiсть поверхнi);
2. стан шструменту (знос, стiйкiсть або швидюсть рiзання);
3. взаемодiю оброблюваного матерiалу та шструменту (вид стружки, коефщенти усадки i тертя, силу рiзання та !! динамiчну скла-дову).
Полшшити оброблюванiсть ВЧКГ можна такими шляхами:
1. незалежно вщ процесу рiзання за раху-нок рiзних впливiв на матерiал виробу: змiни властивостей оброблюваного матерiалу, технологи отримання чавуну (легування), технологи виготовлення заготовки, термiчно! обробки;
2. впливаючи на шструмент i умови обро-бки у процес рiзання: змiни властивостей рiзального iнструменту, змiни взаемодп заготовки та шструменту.
Перша група об'еднуе методи змши обро-блюваносп, якi використовують до процесу мехашчно! обробки i незалежно вiд нього, наприклад, при металургшному циклi за ра-хунок змiни хiмiчного складу при виготовленш заготовки, за рахунок термiчно! обробки. Ц методи можуть використовуватися в тому випадку, якщо технологiчно i економ> чно можливо здiйснити змiну технологи процесу лиття, якщо процеси додаткового легування i термообробки не мають негативного впливу на отримання необидного комплексу властивостей оброблювано! деталь Термообробка з метою покращення оброб-люваносп зазвичай е промiжною операцiею, шсля яко! необхiдно проводити остаточну обробку, що значно подовжуе i здорожуе процес.
Оптимальним е такий режим термiчноl обробки, коли задовшьна оброблюванiсть поеднуеться з отриманням високого рiвня мехашчних властивостей.
ВЧКГ у литому сташ мае порiвняно низь-кий рiвень механiчних властивостей, харак-теризуеться значною лiквацiею хiмiчних елементiв та структурною неоднорщшстю. Тому розробка рацiональних, з точки зору комплексу експлуатацшних властивостей, режимiв термiчноl обробки е першочерговим завданням.
До друго! групи належать методи шдви-щення оброблюваностi, яю реалiзуються у процесi обробки рiзанням: змiна властивостей, конструкци, геометри iнструменту i характеру взаемоди iнструменту з оброблюва-ною заготовкою (режими рiзання, змащува-льно-охолоджувальна рвдина, рiзання з пщг-рiвом, з випереджаючим пластичним дефор-муванням та ш.).
Покращення оброблюваностi може здшс-нюватися шляхом застосування будь-якого одного методу (наприклад, термообробки). Бшьшо1 ефективностi можна досягти при ви-користаннi одночасно дек1лькох методiв. Оскiльки оброблюванiсть е комплексним по-няттям, то для И покращення необхвдно роз-робити комплекс методiв, якi стосувалися б i властивостей оброблюваного матерiалу, i властивостей шструменту, i характеру !х взаемоди.
Проведенi в роботах [6, 7] дослiдження показали, що неоднорiднiсть чавуну е визна-чальним фактором оброблюваносп. У зв'язку з цим вс методи покращення оброб-люваностi так чи шакше повиннi впливати на неоднорвдшсть чавуну безпосередньо або побiчно. Методи, якi вiдносяться до першо! групи, дозволяють безпосередньо змiнювати структурну i хiмiчну неоднорiднiсть чавуну в процес легування або термiчноl обробки. Таким чином, юнуе проблема покращення оброблюваносп чавуну шляхом проведення термiчноl обробки.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е дослвдження впливу тер-мiчноl обробки на оброблювашсть ВЧКГ.
Для досягнення ще1 мети були поставлен наступнi завдання: 1) провести досидження впливу режимiв термiчноl обробки на неод-норiднiсть чавуну; 2) визначити коефщент оброблюваностi; 3) проанаизувати залеж-нiсть мiж показниками оброблюваносп й не-однорiднiстю чавуну.
Покращення оброблюваносп високом1цного чавуну
Для проведення достджень був обраний високомщний чавун наступного хiмiчного складу: 3,3-3,8 % С; 2,4-3,2 % Si; С+1/3 Si = 4,25-4,35 %; 0,004-0,007 % S; 0,5-0,9% Мп; 0,045-0,008 % Р; 0,05-0,1 % Сг; 0,1-0,15 % Ni; 0,04-0,09 % Мg. Цей чавун широко за-стосовуеться у промисловостi, тому що для його отримання не потрiбно дефщитних ле-гуючих добавок i модифiкаторiв.
Чавун у вихвдному станi характеризуеться розвиненою лiквацiею вах хiмiчних елемен-тiв, що входять до його складу. Литий чавун неоднорвдний i за структурою, i за розпод> лом хiмiчних елеменпв [1]. Ферит зосере-джений в основному в колограф^нш зонi (рис 1).
Рис. 1. Мжроструктура достджуваного чавуну в литому сташ, травлення 4 % азот-ною кислотою, х450
Як iнструментальний матерiал використо-вували надтвердий iнструментальний матер> ал на основi нiтриду бору томал-10.
Вимiрювання мiкротвердостi проводили на мiкротвердомiрi ПМТ-3 з навантаженням 50 г. Достдження сили рiзання та И коливань виконували на установщ на основi високочу-тливого однокомпонентного динамометра. Твердiсть вимiрювали на твердомiрi Бр> нелля моделi и1Т HBW-1.
Властивостi матерiалу визначае його структура. Чавуни, на вiдмiну ввд сталей, мають неоднорiдну структуру: металева мат-риця у них пронизана включеннями графiту, мае мюце лiквацiя хiмiчних елементiв, неод-норвдна структура металево1 матрицi. Завдя-ки такш неоднорiднiй структурi в литому сташ ВЧКГ мае недостатньо високий рiвень показниюв мiцностi, ударно1 в'язкосл, зно-состiйкостi.
Структурна та хiмiчна неоднорiднiсть чавуну визначае оброблювашсть, призводить до ударних навантажень на шструмент та до штенсифжаци його зносу. Ударш наванта-
ження особливо е небезпечними для твердосплавного, мiнералокерамiчного шструменту та шструменту iз надтвердих матерiалiв.
Для отримання рiзного ступеня неоднор> дностi та твердосп були запропонованi на-ступш режими термiчно! обробки (табл. 1).
Термiчна обробка з мiжкритичного штер-валу Ас1п-Ас1к значно впливае на змшу неод-норiдностi чавуну. У цьому штерват температур в рiвновазi знаходяться три фази - аус-тенiт, ферит i графгт [1].
В першу чергу при на^ванш слiд врахо-вувати перерозподш хiмiчних елементiв, таких як вуглець i кремнiй. Перерозподiл вуг-лецю починаеться в умовах досить низько! температури (нижче Ас1п). Оскшьки розчин-нiсть вуглецю у ферит зi зростанням температури пом^но не пiдвищуеться i вмiст кре-мнiю досить великий, то вшьний вуглець, що утворюеться при розпадi цементиту, спрямо-вуеться до граф^у. Йде процес звiльнення вiд вуглецю металево! матрицi основи i зб> льшення включень графiту. Розпаду цементиту передуе його сферощизащя. Вщстань
мiж пластинами цементиту збiльшуеться, а вуглець выводиться до графiтних включень. Найбшьш активний розпад цементиту вщбу-ваеться за температури, близьких до точки
АС1п.
За досягнення температури Ас1п а^у пе-ретворення насамперед починаеться в д^н-ках перл^у, якi мають пiдвищений вмiст вуглецю i знижений - кремшю. Потiм аустеш-зацiя поширюеться на феритш дiлянки. Од-нак оскшьки вмют кремнiю в окремих зернах а-фази вiдрiзняеться, температура початку а^у перетворення буде рiзною. В результат при нагрiваннi в МК1 сшвюнують областi аустенiту, графiту i фериту з шдвищеним вмiстом кремнiю.
За збшьшення витримки здiйснюються процеси насичення вуглецем аустенiту i перерозподш кремнiю. Оскiльки розчиннiсть кремнiю у ферит значно бiльше, нiж в аус-тенiтi, у мiру розвитку а^у перетворення кремнiй вiдтiсняеться вщ грaницi у-фази у ферит, що збершся. Однак оскiльки при пе-реходi через Ас1п з'являеться велика кшьюсть зaродкiв aустенiту, то утворюеться структура з вщносно дрiбними донками, що чергу-ються, з шдвищеним i зниженим вмiстом кремнiю. Таким чином, неоднорщнють за кремнiем вирiвнюеться. Чим бiльше форму-еться зародюв aустенiту, тим тонше ця неод-норiднiсть.
Нормaлiзaцiя вiдрiзняеться низькою тру-домiсткiстю i дозволяе отримати висок слу-жбовi характеристики чавуну. У процес про-ведення нормaлiзaцi! охолодження з МК1 здiйснюеться з невеликою швидюстю - у струменi повиря. Тому вiдбувaеться розпад aустенiту з утворенням ферито-кaрбiдно! су-мiшi. Витримка тсля нaгрiвaння забезпечуе необхiдне насичення аустешту вуглецем, пе-рерозподiл кремшю. В результат нормaлiзa-цi! утворюеться досить однорщна перл™-феритна структура [1]. Неоднорщшсть у роз-подш кремнiю не зникае, а стае тоншою, оскшьки дшянки фериту i перлiту подрiб-нюються, дiлянки висококремнистого фериту чергуються з донками, що мютять мало кремнiю.
Вaрiювaння режиму охолодження з МК1 призводить до змши структурно! неоднорщ-ностi. Що ж стосуеться неоднорiдностi за кремшем, то як при нормaлiзaцi!, так i пiсля гартування вона залишаеться практично од-наковою. Бiльш ютотно! змiни хiмiчно! неод-норiдностi можна досягти, збшьшивши кшь-
Таблиця 1 - Режими термiчноí обробки чавуну
Умовний номер чавуну та його стан НВW Кн Ко/ Уо
1. Литий стан 210220 1,7 0,6/ 3,0
2. Подвшна нор-мaлiзaцiя: на^в до 890 °С, витримка 1,5 години, охолодження на повир^ на^в до 860 °С, витримка 1,5 години, охолодження на повг^ 260270 11,26 0,8/ 4,0
3. Нормaлiзaцiя з МК1: нaгрiв до 860 °С, витримка 1,5 години, охолодження у струмеш повггря 275285 1,36 0,73/ 3,6
4. Гартування i вщпуск: нaгрiв до 860 °С, витримка 1,5 години, охолодження в масль Вщпуск при 220 °С протягом 2 годин, охолодження на повiтрi 470480 11,9 0,5/ 2,8
5. Орий чавун iз пла-стинчастим графгтом СЧ20 190200 11,0 11,0/ 5,04
кють переход1в через критичну точку [1], за-стосувавши подвшну норматзащю.
Було запропоновано методику визначення оброблюваносп чавуну з урахуванням струк-турно1 та х1м1чно1 неоднорщносп. Найзруч-шшою для дослщження впливу структури на оброблюванють характеристикою е сила р1зання: И середне значення та коливання [6]. Середне значення сили р1зання, середньоква-дратичне вщхилення { коефщент вар1ацп розраховували за даними осцилограм сил р1зання (складово1 Рт) при обробщ чавушв з р1зною мшроструктурою.
Для характеристики неоднорщносп чавуну введено коефщ1ент неоднорщносп
Kн =■
(1)
де Увч - коефщент варiацi! миттевих значень
сили pi3aHM для ВЧКГ; Усч - коефщент ва-рiацi! миттевих значень сили pi3aH^ для ci-рого чавуну.
Коефщент неоднорiдноcтi як комплексна характеристика чавуну визначае його оброблюванють; Ко - коефщент вщносно! оброблюваносп
Кн 1
K = сч =
о = Кн = Кн '
(2)
де КИ ч - коефiцiент неоднорщносп ciрого
чавуну, Кнсч =1.
Для практичного застосування необхiдно знати абсолютну величину оброблюваноcтi. Були визначенi розрахунковi значення швид-костей рiзання за снйкосн 60 хв для досл> джуваних чавунiв при обробцi надтвердим шструментальним матерiалом - гекcанiтом-Р
Vo = Ко -Ут:
(3)
де Усч - швидкicть рiзання при обробщ арого чавуну, м/с.
Як показниюв оброблюваноcтi викорис-товували коефщент вщносно! оброблювано-cтi та швидкосп рiзання за cтiйкоcтi 60 хв.
Аналiз значень V6o, якi отримаш для чаву-нiв пicля рiзних видiв термiчно! обробки, показав, що величина швидкоcтi рiзання знахо-диться у певнiй залежноcтi вщ неоднорщнос-тi чавуну. Найкращу оброблюванють (найб> льше значення V6o) мае чавун не з найниж-
чою твердicтю, а з найменшим ступенем не-однорiдноcтi - пicля подвшно! нормалiзацi! (Кн=1,26). Найгiршу оброблюванicть мае чавун пюля гартування з найбшьшим ступенем неоднорiдноcтi (Кн=1,9). Чавун пюля подвшно! норматзацп характеризуеться не тiльки високим рiвнем оброблюваносп рiзанням, а i достатньо високим рiвнем механiчних влас-тивостей - твердосн, що дозволяе рекомен-дувати цей режим в якосн кшцево! термiчно! обробки.
Висновки
Незважаючи на високий рiвень експлуа-тацiйних властивостей високомщного чавуну, його використання в машинобудуванш стримуеться недостатньою оброблюванicтю рiзанням.
Виcокомiцний чавун характеризуеться значною хiмiчною та структурною неоднор> днicтю, що однозначно пов'язана з оброблю-ванютю i визначаеться коефiцiентом неодно-рщносп Кн.
Для оцiнки оброблюваноcтi в робой запропоновано використовувати ушверсальний критерiй - вiдноcну оброблюванicть Ко.
Оскшьки оброблюванicть залежить вiд коефщента неоднорiдноcтi чавуну, одним зi шляхiв ll покращення е термiчна обробка, за допомогою яко! можливо спрямовано змшю-вати структуру, тобто зменшувати неоднор> днicть. З точки зору оброблюваносп, оптимальною е подвшна нормалiзацiя, яка дозволяе отримати чавун з найменшим коефщен-том неоднорщносп (Кн=1,26), найгiршу -забезпечуе гартування та низький вщпуск (Ко=0,5).
Чавун пicля подвшно! норматзацп характеризуеться не ильки високим рiвнем оброблюваносп рiзанням, а i достатньо високим рiвнем твердоcтi, що дозволяе рекомендува-ти цей режим в якосн кшцево! термiчно! об-робки.
Лтгература
1. Солнцев Л.А. Получение чугунов повышенной прочности / Л.А. Солнцев, А.М. Зайденберг, А.Ф. Малый. - Харьков : Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. - 152 с.
2. Покровский А.И. Использование высокопрочного бейнитного чугуна для изготовления зубчатых колёс / А.И. Покровский, Л.Р. Ду-децкая // Литьё и металлургия. - 2015. -№2(79). - С. 126-134.
3. Александров Н.Н. Высокопрочный чугун с ша-
ровидным графитом - перспективный конструкционный материал XXI века / Н.Н. Алек-
v
v
сандров // Арматуростроение. - №2(53). -2008. - С. 72-74.
4. Ebrahimpour, S. R. Effect of Different Austemper-
ing Temperatures on Wear Properties of Ductile Iron / S. R. Ebrahimpour, A. Abedi, M. Abbasi, M. R. Alizadeh // Tech. J. Engin. & App. Sci. -2013. - 3 (7). - P. 553-561.
5. Sharma, S. Effect of Austempering Temperature and Time on the Wear Characteristics of Austem-pered Ductile Iron (ADI) / S. Sharma, R. Gupta // International Journal of Engineering Research and General Science. - 2015. - V. 3, 1. - P. 986 -990.
6. Батыгин Ю.В. Исследование обрабатываемости
высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / Ю.В. Батыгин, Н.А. Лалазарова // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2011. - Вып. 54. -С. 123-126.
7. Лалазарова Н.А. Оценка обрабатываемости высокопрочного чугуна / Н.А. Лалазарова // Вкник шженерно! академп Украши. - 2001. -№3. - Ч.1. - С. 431-433.
References
1. Solntsev L.A., Zaydenberg A.M., Malyiy A.F. (1986). Poluchenie chugunov povyishennoy prochnosti [High-strength cast iron manufacturing], Harkov, Vischa shkovla [in Russiаn].
2. Pokrovskiy A.I., Dudetskaya L.R. (2015) Use of High-strenggth bainitic cast iron for produsing gear wheels [Ispolzovanie vyisokoprochnogo beynitnogo chuguna dlya izgotovleniya zub-chatyih kolyos] Casting and metallurgy, 2(79), 126-134 [in Russiаn].
3. Aleksandrov N.N. (2008). Vyisokoprochnyiy chu-
gun s sharovidnyim grafitom - perspektivnyiy konstruktsionnyiy material XXI veka [Ductile cast iron is advanced engineering material of XXI]. Armaturostroenie, 2(53), 72-74 [in Russiаn].
4. Ebrahimpour, S. R. Effect of Different Austemper-
ing Temperatures on Wear Properties of Ductile Iron / S. R. Ebrahimpour, A. Abedi, M. Abbasi, M. R. Alizadeh // Tech. J. Engin. & App. Sci. -2013. - 3 (7). - P. 553-561.
5. Sharma, S. Effect of Austempering Temperature and Time on the Wear Characteristics of Austem-pered Ductile Iron (ADI) / S. Sharma, R. Gupta // International Journal of Engineering Research and General Science. - 2015. - V. 3, 1. - P. 986 -990.
6. Batyigin Yu.V., Lalazarova N.A. (2011). Issledo-vanie obrabatyivaemosti vyisokoprochnogo chuguna s sharovidnyim grafitom [The study of ductile cast iron machinability]. Vestnik Harkovskogo natsionalnogo avtomobilno-dorozhnogo universi-teta, 54, 123-126 [in Russiаn].
7. Lalazarova N.A. (2001). Otsenka obrabatyivaemosti vyisokoprochnogo chuguna [Evaluation of high-strength cast iron machinability]. Vestnik in-zhenernoy akademii Ukrainyi, 3, 431-433 [in Russiаn].
Лалазарова Наталiя Олекснвна - к.т.н., доцент, кафедра технологи металiв та матер> алознавства, тел.: +38 0953903816, lalaz1932@gmail.com,
Донченко Дмитро Олександрович - студент, +38 099-281-80-66, donchenko3777@ukr.net, Харювський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 61002, м. Харюв, Ук-раша, вул. Ярослава Мудрого, 25,
Путятша Лариса 1вашвна - к.т.н., доцент, кафедра якост, стандартизации сертифшаци та технологи виготовлення матерiалiв, тел.:+38 050-874-92-12, larisaputaytina@gmail.com, Украшський державний ушверситет залiзни-чного транспорту, 61050, Украша, м. Харюв, площа Фейербаха 7.
HEAT TREATMENT EFFECT ON HIGH-STRENGTH CAST IRON MACHINABILITY
Lalazarova' N.O., Donchenko D.O., KhNAHU, Putyatina L.I., Ukrainian State University of Railway Transport
Abstract. Problem. The use of ductile cast iron (DCI) in engineering is constrained by its insufficient cutting ability. There is a problem of improving the machinability of cast iron by performing heat treatment. Goal. The aim of the work is to study the effect of heat treatment on DCI machinability. Method. The research has been carried out on the basis of high-strength cast iron chemistry widely used in industry. Cast iron is heterogeneous in structure and distributing chemical elements. The hardness and micro-hardness of cast iron, average values and oscillations of the cutting force have been studied. Results. Structural and chemical inhomogeneity of cast iron determines its machinability, causes shock loads on the tool and intensifies its wear. The heterogeneity coefficient was used as a complex characteristic of inhomogeneity. It is determined by instantaneous values of the cutting force. The coefficient of relative machinability has been defined on the basis of the heterogeneity coefficient. The machinability of gray cast iron is taken as 1. Taking into account the ma-chinability factor the cutting speed has been calculated with the stability of 60 min for hexanite-R while high-strength cast iron turning. The heterogeneity of such cast irons has been changed by heat treatment according to different modes. Scientific novelty. Heat treatment allows to change structural and chemical heterogeneity of cast irons and to effect on their machinability. That is, DCI machinability depends on the degree of cast iron heterogeneity de-
termined by the heterogeneity coefficient. Practical significance. The technique for determining the heterogeneity and machinability of ductile cast iron has been suggested. The research of the heat treatment effect (heterogeneity) on machinability has been carried out. The studies have shown that after double normalizing cast iron is characterized not only by a high level of cutting ability but also by a sufficiently high level of mechanical properties - hardness. This fact allows to recommend this mode as the final heat treatment.
Key words: ductile cast iron, heterogeneity, ma-chinability, heat treatment.
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА
Лалазарова Н.А., Донченко Д.А., ХНАДУ,
Путятина Л.И., Украинский государственный университет железнодорожного транспорта
Аннотация. Использование высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в машиностроении сдерживается недостаточной его обрабатываемостью резанием. Чугун характеризуется значительной химической и структурной неоднородностью, которая однозначно связана с обрабатываемостью и определяется коэффициентом неоднородности. Для улучшения обрабатываемости предложена термическая обработка, с помощью которой возможно направленно изменять структуру, то есть уменьшать неоднород-н о с т ь .
Ключевые слова: высокопрочный чугун с шаровидным графитом, неоднородность, обрабатываемость, термическая обработка.
