CC BY
62
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.745.435: 621.745.55: 544.016.5 Панов АГ.
ЗАВИСИМОСТЬ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ЛИТЫХ РЕ-МС-М МОДИФИКАТОРОВ ОТ МОРФОЛОГИИ МИКРОСТРУКТУРЫ
Литые Fe-Ni-Mg модификаторы высокопрочного чугуна с шаровидным графитом обладают непревзойдённым преимуществом - высокой плотностью (Рлиг > 7 г/смЗ), превышающей плотность расплава чугуна (рчуг ~ 6 г/смЗ) и позволяющей их применять наиболее простым и дешёвым ковшевым способом обработки расплава без дополнительных приспособлений и расходных материалов. Однако эти модификаторы до настоящего времени не нашли широкого применения в литейном производстве из-за плохой дробимости. Поэтому важной задачей материаловедения является уменьшение ударной вязкости литых Fe-Ni-Mg модификаторов.
В настоящей работе автором исследовано влияние микроструктуры литого Fe-Ni-Mg модификатора с добавками РЗМ на его ударную вязкость.
Центробежным способом изготовили З варианта отливок лигатуры из базового расплава, химический состав которого дан в табл. 1. Применяя различные режимы его модифицирующей обработки поверхностно-активными элементами (ПАЭ) и кристаллизации [1], получили следующие экспериментальные отливки лигатур:
1. Лигатура 1 - без модифицирования, толщина слитка З см.
2. Лигатура 2 - с модифицированием, толщина слитка З см.
3. Лигатура З - с модифицированием, толщина слитка 0,З см.
Опытные лигатуры, полученные различным способом из одного базового расплава, имели принципиально отличные по качеству и количес твенным характеристикам отдельные элементы микроструктуры. Примеры изображений микроструктур, полученных при съёмке микрошлифов лигатур с помощью оптического микроскопа MT7500 фирмы Meiji Techno (Япония), представлены на рис. 1 и 2.
Количественный анализ геометрических параметров элементов микроструктуры проводили с помощью анализатора изображения ImageExpert Pro З. Лигатура 1 имеет в своей структуре до 2,5% компактного графита неправильной шаровидной формы с от-
В настоящее время на способ обработки оформляется патент РФ на изобретение.
дельными включениями правильной шаровидной формы размерами 0,5-55 мкм (см. рис. 1). Количество включений графита составляет порядка 100 шт./мм2. Распределение количества включений графита по размерам весьма неравномерное, большинство включений имеет малые размеры. Так, порядка 40% включений имеют размеры до 10 мкм (рис. 3, а).
В структуре лигатур 2 (рис. 3, б) и 3 практически весь углерод находится в связанном виде и только небольшая часть (в количестве менее 0,019 масс.% в лигатуре 2 ив количестве менее 0,016 вес.% в лигатуре 3) находится в виде компактного графита с размерами включений до 9 и 8 мкм соответственно в лигатуре 2 и лигатуре 3. Причём более 30% графита обеих лигатур имеет размеры менее 1 мкм. Количество включений графита в лигатурах 2 и 3 примерно одинаково и имеет порядок 80 шт./мм2. В лигатуре 3 в отличие от лигатур 1 и 2 дополнительно наблюдается равномерно распределённая усадочная пористость.
Анализируя фазовые составы лигатур с помощью сканирующего электронного микроскопа І8М-6460 ЬУ фирмы ШОЬ (Япония) (рис. 4), выявили, что матрицы лигатур состоят, в основном, из четырёх фаз. Примерные составы и оценка с помощью диаграмм состояния двойных систем [2-4] температур плавления выявленных фаз представлены в табл. 2.
Первая фаза (светло-серая на рис. 1, а-в, рис. 2, а, б и рис. 4, серая - на рис. 2, в), имеющая дендритную структуру, представляет собой аустенит с содержанием никеля порядка 40-50% и занимает порядка половины плоскости шлифа. В немодифицированной лигатуре 1 она наблюдается в виде сплошного каркаса с ярко выраженной дендритной структурой. В лигатуре 2, модифицированной ПАЭ, дендритный каркас исчезает, ус -тупая место изолированным дендритным конгломератам со сглаженной формой поверхности. С ростом скорости охлаждения в лигатуре 3 происходит интенсивное измельчение аустенита в 5-6 раз по сравнению с
Таблица 1
Химический состав базового расплава Fe-Ni-Mg-лигатур
Содержаниеэлемента, масс. %
C Si Ni Mq Ce La P Fe
2,51 0,29 40,4 4,93 0,54 0,32 0,450 49,8
лигатурой 1. Количественные характеристики аусте-нитной фазы лигатур представлены в табл. 3.
Вторая фаза в виде коротких изолированных вытяну тых прямоугольных пластинчатых включений с максимальным диаметром Фере менее 5 мкм присутствует в значительно меньших объемах. В лигатуре 1 в количестве порядка 1,5-103 шт/мм2 она занимает площадь до 1%. В лигатурах, полученных с применением модифицирования, количество включений второй фазы на порядок увеличивается. В лигатуре 2
включения в количестве порядка 1,0-104 шт./мм2 занимают площадь до 3,5%, в лигатуре 3 - в количестве порядка 1,2-104 шт./мм2 занимают площадь до 4%, т.е. ее рост увеличивается в 4 раза с одновременным повышением степени дисперсности.
Третья и четвёртая магнийсодержащие фазы, названные нами аналогично [5] «магнид 1» и «магнид 2», представляют собой структуру эвтектического типа. Матрицей эвтектики является фаза 3 (она занимает более 80% всей плоскости шлифа) и представляет собой
Л *
I *
У
К
*
♦ »
• * *
* & Л» а
’■■(А-'
Ц^|ДД
Рис. 1. Микроструктура опытных лигатур без травления, х 100: а - лигатура 1; б - лигатура 2; в - лигатура 3
Рис. 2. Микроструктура матрицы лигатур после травления, х 500: а - лигатура 1; б - лигатура 2; в - лигатура 3
сложное соединение, состоящее из никеля, железа, магния и углерода. Возможно также, что эта фаза представляет собой сложный карбид (ЩМ&Ре)3С. Остав-шуюся часть эвтектики составляет другая, ещё более сложная содержащая магний фаза 4, которая дополнительно состоит из никеля, фосфора и железа, а также содержит небольшие количества кремния, марганца и углерода. В структуре лигатуры 1 эвтектические колонии располагаются в ме^дуветвиях дендритного скелета и имеют грубую зернистую форму. При модифицировании лигатуры 2 ПАЭ эвтектические колонии имеют классическую розеточную форму с тонко организованной пластинчатой структурой. Дополнительное глубокое переохлаждение расплава в лигатуре 3 приводит к интенсивному раздроблению эвтектических колоний, однако сохраняются эвтектические области с тонко
Максимальный диаметр Фере
а
Максимальный диаметр Фере б
Рис. 3. Распределение графита по максимальному диаметру Фере': а - лигатура 1; б - лигатура 2
Линейный размер частицы как максимальная величина проекции ее изображения.
дифференцированной перистой структурой. Следует отметить, что и модифицирование, и глубокое переохлаждение расплава изменяют тип кристаллизации эв-тектики с дендритного (лигатура 1) на ячеистый (лигатура 2 и 3). Следствием этого процесса является увеличение доли эвтектических структур и уменьшение доли первичной дендритной фазы (табл. 3).
Таким образом, дисперсность всех структурных компонентов матрицы увеличивается в последовательности немодифицированная ^ модифицированная с обычным охлаждением ^ модифицированная с высоким охлаждением. Модифицирование лигатуры поверхностно-активными элементами и достижение глубокого переохлаждения способствует повышению твердости структурных компонентов лигатур как за счет их интенсивного диспергирования, так и за счет увеличения доли высокотвердой карбидной матричной эвтектической фазы.
Сравнение уровня дробимое ти опытных модифицированных и немодифицированных лигатур определяли по их ударной вязкости. Для исследования ударной вязкости лигатуры 1 и лигатуры 2 из отливок изготовили по 3 стандартных образца без надреза для испытаний на ударный изгиб (ГОСТ 9454-78) размером 10x10x55 мм. Результаты испытаний сведены в диаграмму, представленную на рис. 5. Лигатура 2, изготовленная с применением модифицирования рас -плава ПАЭ, имеет ударную вязкость в 2 раза меньше, чем лигатура, изготовленная по обычно й технологии, что значительно улучшает её дробимостъ.
Такое поведение ударной вязкости хорошо согласуется с результатами исследования строения лигатур. А именно лигатура 1, имеющая в своей основе сплошной прочный и вязкий аустенигный каркас, обладает большей ударной вязкостью, нежели лигатура 2, имеющая эвтектическую матрицу из твёрдой карбидной фазы, в которой находятся изолированные дендриты аустенита. Лигатура 3, по всей видимости, должна иметь ещё меньшую ударную вязкость, чем ударная вязкость лигатуры 2, поскольку дендриты аустенита в ней полностью раздроблены и находятся в виде изоли-
І
3 0 м т 1
Рис. 4. Изображение микроструктуры для микроанализа. Лигатура 3, не травлено, х2000
Таблица 2
Результаты количественного химического анапизафазового составалигатур и оценки ихтемператур плавления
М икрообъект (фаза) C Mg Si P Mn Fe Ni La Ce Pr Nd Тпл, °С
1, аустенит 2,8 0,4 61,0 35,8 1300-1350
2, фосфид 3,3 11,9 3,5 24,2 13,5 34,1 3,0 6,5 >2000
3, матид_1 7,8 9,4 31,9 50,9 1120 1160
4, матид_2 2,9 15,7 0,8 6,6 0,4 10,7 62,8
Таблица 3
Количественные характеристики аустенитной фазы лигатур
Порядок оси дендрита Среднийдиаметр оси дендритов, мкм Количество сечений дендрит ов, шт .Imm2 Доля площади, занимаемая сечениями дендритов, %
I II III IV
Лигатура 1 70 25 8 2 2-103 60
Лигатура 2 20 10 1,5 0,7 1,4-104 50
Лигатура 3 17 4 1,4 0,4 5,5-104 48
Ударная вязкость лигатур
*
и
50
40
30
20
10
0
1 2
Лигатура 1 - изготовлена по обычной технологии. Лигатура 2 - изготовлена по опытной технологии с модифицированием расплава ПАЭ
Рис. 5. Результаты испытаний образцов лигатуры на ударный изгиб
рованных глобулярных включений, не способных упрочнить сплав, а эвтектическая матрица, образующая сплошную среду сплава, имеет большую микротвёрдость и, следовательно, хрупкость.
При выплавке лигатур применение процесса модифицирования их расплава ПАЭ и глубокого переохлаждения при кристаллизации решает чрезвычайно важную производственную и научно-практическую проблему - расширение области применения литых Fe-Ni-Mg лигатур при модифицирующей ковшевой обработке малых объемов расплава и внутриформенного модифицирования за счет возможности получения более мелких фракций лигатур и снижения энергоемкости их дробления.
Список литературы
Панов А.Г., КорниенкоАн.ЭКорниенко А.Э. Совершенствование технологии модифицирования чугунов с шаровидным графитом Mg-Ni-Fe лигатурой // Литейщик России. 2009. № 3. С. 27-30. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. Т. 1 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. 992 с.: ил.
Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. Т. 2 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. 1024 с.: ил.
Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. Т. 3. Кн. I / под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 2001. 872 с.: ил.
Самсонов Г.В., Перминов В.П. Магниды. Киев: Наук. думка. 1971. 430 с.
Bibliography
Panov A.G., Kornienko Andrey E., Kornienko Aina E. The improvement of the modification technology of cast iron with sphere graphite Mg-Ni-Fe alloy // Foundry man of Russia. 2009. № 3. P. 27-30.
The Diagrams of condition of dual metal systems: Reference book: In 3 v. V. 1 / Under the editorship of N.P. Lyukishev. М.: Machine building, 1996. 992 p.: Fig.
The Diagrams of condition of dual metal systems: Reference book: In 3 v. V. 2 / Under the editorship of N.P. Lyukishev. М.: Machine building, 1997. 1024 p.: Fig.
The Diagrams of condition of dual metal systems: Reference book: In 3 v. V. 3 / Under the editorship of N.P. Lyukishev. М.: Machine building, 2001. 872 p.: Fig.
Samson G.V., Perminov V.P. Magnides. Kiev: Naukova Dumka. 1971. 430 p.
УДК 539.4
Казанцев АГ., Рымкевич АП, Силаев АА, Вопилкин АХ., Кононов ДА, Тихонов Д.С.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ГОДНЫХ И ЗАБРАКОВАННЫХ ПО ПРОЗВУЧИВАЕМОСТИ ОСЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР
Оси колесных пар, являющиеся одними из ответственных коне тру ктивных компонентов железнодорожного подвижного состава, после изготовления подвергаются ультразвуковому контролю на прозву-чпваемостъ. Изделия бракуются, если затухание УЗ
сигнала превышает нормированный уровень, что является индикатором наличия крупнозернистой структуры металла и соответственно низких эксплуатационных свойств оси [1, 2].
Однако так как данная методика оценивает качест-
