close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102910

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Харитоненко Сергей Александрович
Выявление и использование особых структурных
эффектов в чугунах стабильной системы Fe-C-Si
Специальность 05.16.01 - "Металловедение и термическая
обработка металлов"
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Тула-2005
Работа выполнена в Брянской инженерно-технологической академии на
кафедре «Технологии конструкционных материалов и ремонта машин»
Научный руководитель:
Заслуженный деятель науки Р Ф ,
доктор технических наук, профессор
Сильман Григорий Ильич
Официальные оппоненты.
доктор технических наук, профессор
Давыдов Сергей Васильевич
кандидат технических наук, профессор
Цвеленьев Борис Васильевич
Ведущее предприятие:
ООО НПК "Изотерм"
Защита состоится «
» декабря 2005 г. в
часов на
заседании
диссертационного
совета
Д212.271.03
Тульского
государственного университета по адресу: 300600, г.Тула, пр-т Ленина, 92,
ТГУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского
государственного университета.
Автореферат разослан «
Учёный секретарь
диссертационного совета
K.T.H., доцент
» ноября 2005 г.
Шх O^tU^
и в . Тихонова
zoo(^'\ mm I
'У'^пА^
"^
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Стабильная система Fe-C-Si характеризуется тем,
что в области сравнительно низких температур (ниже 750-720 °С) основными термодинами'. "ски устойчивыми фазами в ней являются феррит и графит Стабилыгую
ферритно-графитную структуру имеют некоторые виды чугунов, называемые ферритными По форме графитных включений чугуны подразделлют на серые с пла­
стинчатым графитом, высокопрочные с шаровидным или вермикулярным графитом
и ковкие с хлопьевидным графитом (углеродом отжига).
Сочетанием наиболее высоких значений пластичности и ударной вязкости
обладают ферритные высокопрочные чугуны с шаровидным графитом, однако эти
чугуны не всегда обладают достаточно высокими прочностными свойствами
Задача, связанная с повышением механических свойств и надежности высо­
копрочных чугунов, является очень важной для промышленности России Так, на­
пример, в перечень приоритетных направлений развития науки и техники в Р Ф
включена тема "Исследование и разработка технологий получения чугунов с шаро­
видным графитом высокой прочности для транспортировки и захоронения отходов
ядерных технологий в крупногабаритных контейнерах" с достижением следующих
свойств чугуна о^бОО МПа, Kic в итервале температур от -50 до +350 *С в 1,5 раза
выше, чем у известных чугунов.
Как показали результаты многих исследований, можно в значительных пре­
делах регулировать прочностные свойства феррита, например, п>тем его легирова­
ния, в том числе (и прежде всего) кремнием
Легирование а-железа кремнием может сушест венно влиять на его структуру
вплоть до гстеро! енизации а-фазы Это явление обнаружено в сплавах системы Fe-
Si.
Безусловно, явление гетерогенизации а-фазы должно переходить и в систему
Fe-C-Si В эпизодических исследованиях высокопрочных ферритных чугунов, про­
веденных ранее, имеются ссылки на возможность таких структурных изменений, но
до сих пор эти изменения не гюлучили достаточного теоретического и эксперимен­
тального обоснования и не отражены в известньк диаграммах состояния Fe-C-Si
Поскольку структура и свойства nyiynoB определяются прежде всего содер­
жанием кремния, необходимо более тщательное исследование влияния кремния с
выявлением и обоснованием особых структурных эффектов, обеспечивающих суще­
ственное повышение свойств чугунов Необходима также разработка технологиче­
ских процессов получения таких чугунов и изделий из них.
Цель работы. Выявление особых структурных эффектов в сплавах стабиль­
ной системы Fe-C-Si и их использование при разработке ферритных высокопрочных
чугунов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.
Автор защищает:
- рассчитанную и построенную часть новой диаграммы стабильного равнове­
сия сплавов Fe-C-Si (изотермические и политермические разрезы, проекции, пере­
чень и схему моно- и нонвариантных равновесий);
- результаты анализа диаграммы с выявлением новьпс фазовых областей,
моно- и нонвариантных равновесий, новых структурных составляющих, фазовых и
структурных превращений;
- методику приготовления шлифов из ффритн^ге кремнистых чугунов с их
J
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1
БИБЛИОТЕКА
j
комбинированным травлением с целью выявления структурного эффекта спинодального расслоения феррита;
- разработанные составы чугунов, способы их выплавки, модифицирования
и термической обработки отливок из них;
- выявленные экспериментально зависимости влияния кремния и термиче­
ской обработки на механические и триботехнические свойства чугунов.
Общая методология исследований. Методология проведения работы бази­
руется на сочетании теоретических и экспериментальных методов исследований.
Основные результаты получены на основе термодинамических расчетов и анали­
за разрезов и проекций построенной части диаграммы стабильного равновесия
сплавов Fe-C-Si Эти данные использованы при планировании экспериме}ггальных
исследований, проводимых с целью проверки результатов теоретического анали­
за, определения особенностей структуры и свойств чугунов, окончательной кор­
ректировки их химического состава и разработки способов их получения и ре­
жимов термической обработки отливок из них
Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций подтвер­
ждается использованием современных методов структурного анализа, а также соот­
ветствием расчетньпс данных результатам опытно-промышленных испьпаний
Научная новизна работы состоит в получении ряда новых теоретических,
экспериментальных и практических результатов в области создания и использова­
ния сплавов с заранее заданными свойствами- установлено наличие в сплавах Fe-C-Si особых структурных эффектов
(гетерогенизация а-фазы, новые виды фазовых и структурньгх равновесий и пре­
вращений), некоторые из которых ранее были выявлены в сплавах Fe-Si, но не
учитывались при оценке процессов структурообразования в сплавах Fe-C-Si;
- впервые построена наиболее важная часть диаграммы Fc-C-Si (до
20 % Si ат ) с учетом новьк фазовых областей и равновесий, причем не в виде от­
дельных фрагментов (разрезов или проекций), а с достаточно полным ее пред­
ставлением, включая общую схему моно- и нонвариантных равновесий,
- установлено влияние легирования (кремнием и комплексом Si+Sn), ком­
плексного модифицирования (Si+Mg+Ca+Ba-t-РЗМ) и термической обработки на
структуру и свойства ферритных чугунов с шаровидным графитом;
- разработаны составы новых чугунов, у которых повышенные механиче­
ские и триботехнические свойства обеспечены путем использования выявленных
структурных эффектов; составы этих чугунов, а также способ их получения заяв­
лены в качестве изобретений
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- разработаны состав чугуна и технологические процессы его получения и
изготовления из него деталей, предназначенных для работы в тяжелых условиях
при больших статических и динамических нафузках, в том числе и при низких
температурах;
- разработан состав антифрикционного чугуна, обеспечивающий высокую
работоспособность узлов трения с низким коэффициентом трения и малым изно­
сом сопряженных деталей,
- новые сплавы и технологические процессы использованы на Брянском
заводе "Термотрон" при изготовлении и испытании опытных партий деталей, к
которым предъявлялись высокие требования по ударопрочноеги и ударной вязко­
сти
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включен­
ные •" '1иссертацию. состой! в фopмyJ!иpoвaнии научной проблемы, связанной с
разрабо сой специальных чугу нов и постановке задач исс |едования, в непосред­
ственном участии на всех этапах проведения теоретических и эксперименталь­
ных исследований, в анализе и использовании полученных результатов
Апробация рябо1ы. Maiepnajibi диссертации были доложены и обсужде­
ны на pel иональных научно-технических конференциях "Вклад ученых и специа­
листов в национальную экономику" (Брянск. 2002 2003, 2004 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 работ, 1 работа принята
к опубликованию, 2 разработки заявлены в качестве изобретений
Структура и объем диссертации. Диссертация сосюит из введения, четырех
глав обитих выводов списка испотыованной литературы из 122 наименований и
приложений; она содержит 161 страницу текста. 60 рисунков. 33 таблицы и 28 стра­
ниц приложений
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность выбранной гемы диссергации, из­
ложены научная новизна и практическая значимость выполнешюй работы, а так­
же сформулированы основные положения, выносимые на защиту
В первой главе рассмотрены современный вид диаграмм Fe-Si и Fe-C-Si. вы­
явлены несоответствия между этими диат-раммами и необходимость доработки и
\точнсния диаграммы Fe-C-Si. проведен ана-чиз литературных данных но вопросам,
связанным с влиянием различных факторов на сфуктуру. механические и триботехнические свойства высокопрочных ч\гунов с шаровидным графитом ( В Ч Ш Г ) . Рас­
смотрены вопросы получения шаровидною графита в чугунах. влияния термической
обработки, применения В Ч Ш ! ' ; приведены механические свойства В Ч Ш Г с различ­
ной структ>рой матрицы Особое внимание уделено ферришым B 4 U J r
Наиболее 1Юлно результаты исследований в этой области были представлены
в работах Г И. Сильмана, А А Жукова. Я Н Малиночки. Л В Перегудова, Д А Кабииова
Изучение состояния вопроса показало, что в настоящее время вопросы структурообразования в сплавах стабильной системы Fe-C-Si изучены недостаточно, мно­
гие области диаграммы являются спорными Процессы, происходящие при форми­
ровании структуры чугунов. содержащих 3-5% Si. не объясняются диаграммой со­
стояния
СвойС1ва В Ч Ш Г завися! от аруктуры металлической матрицы наибольшей
прочностью обладают перлитные и бейнитные ЧШГ. наибольшими пластичностью
и ударной вязкостью - ферритные чугуны Однако для некоторых особо нагружен­
ных деталей требуется сочетание всего комплекса высоких механических свойств
(прочности, пластичности и ударной вязкости), обеспечивающих их высокую надеж­
ность в жсплуатации.
3
Исходя из результатов анализа состояния вопроса, сформулированы цель ра­
боты, приведенная во введении, и основные задачи исследования, включающие.
- теоретическое и жсперимснтальное исследование новых структурных эф­
фектов в системе Fe-C-Si;
- построение достаточно полной диаграммы стабильного равновесия Fe-C-Si
с учетом новых стругсгурных эффектов,
- оценку возможности получения чугунов с требуемыми свойствами,
- разработку рациональных составов чугунов и способов их получения
(включая процессы выплавки, модифицирования и термической обработки);
- исследование структуры, механических и эксплуатационных свойств чугу­
нов
Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы, связанные с расче­
том, построением и анализом диаграммы стабильного равновесия сплавов Fc-C-Si и
выявлением особых структурных эффектов в сплавах этой системы Термодинами­
ческий анализ и расчеты проведены по методике Г.И Сильмана В качестве исход­
ных данных использованы современные и наиболее надежные варианты диаграмм
состояния Ре-С и Fe-Si, а также данные по межфазному распределению кремния
Расчетная схема приведена на рисунке 1
Ns,
Рисунок 1 - Конодиый треуг ольник A B D - область трех­
фазного равновесия а+у+ср
(схема)
Л/°
Л'"
-> Nc
На схеме использованы следующие обозначения,
а, у и ф- растворы (твердые или жидкие); I, II и П1 - области двухфазных равнове­
сий, конодный треугольник A B D - область трехфазного равновесия, N^..^ .,
^с< -а)' ^п - " ^(i - ~ '^0Д^Р*зния углерода в соотвпствующих фазах в ус­
ловиях двухфазных равновесий в исходной двойной системе Fe-C, ноль в верхнем
индексе характеризует отношение данного параметра к двойной системе Fe-C.
Основные уравнения для расчета приведены ниже.
С^м/,-') ^с+(Л'о/,
f^-^u.-Ncu^y
(1)
(2)
^.-^-
Ns,'
(3)
"чи
.Kg,
fj
P,-<';!,
Д,
^ln(fl''i«, g",;.)
'"
(5)
(6)
Л-A,
,„<--_A-f^.;v
(7)
V"" ~ l + e ' " •Л'
"
Здесь приняты те же обозначения, что и на расчетной схеме, причем верхние
знаки в виде одного штриха означают левую фапицу двухфазной области (малоугле­
родистую фазу), обозначения с двумя тггтрихами относятся к правой границе области
(высокоуглеродистой фазе) Отсутствие в верхних индексах цифры "О" при обозна­
чении содержаний углерода в фазах гюказывает возможность испо 1ьзования в расче­
тах не только значений, относящихся к исходной системе Fe-C, но и значений харак­
теризующих гроиную систему Fe-C-Si
Дополнительные обозначения в расчетных уравнениях'
/?/ и рц - коэффициенты влияния кремния на термодинамическую активность угле­
рода й соответствующих двухфазных областях диаграммы, М
содержание )гле-
рода в рассматриваемом лв>хфазном сплаве (или в фазе, когда сплав имеет однофаз­
ное строение): Л^^, и Л'^^^ - содержания кремния в мало- и высокоуглеродистой фазах
соответственно: К.^^ коэффициент межфазного распределения кремния; а, и д"
термодинамические активности углерода в рассматриваемых двухфазных обласгях
тройной системы Fe-C-Si и исходной двойной системы Fc-C соотве1С1венно; Е,^ и
„(С)
OQ
~ параметры взаимолеисгвия соответс1В)Ющих компонентов в рассматривае-
люй фазе. yV^ и N^ -содержания кремния и >глерода в фазе, соответств^юшсй рас­
сматриваемой вершине конодною тре>гольника. Величина Л^^ рассчитывалась по
уравнениям типа (7). Все концентрационные характеристики ( Л'^,^^ и УУ^ ). использо­
ванные в расчетах, приняты в атомных долях. На графиках, разрезах и проекциях
диаграмм они переведены в атомньге проценты.
При построении всех разрезов диаграммы использованы ос1ювные правила
геометрической термодинамики сплавов Использованы также темпера гурные и кон­
центрационные зависимости коэффициентов межфазного распределения элементов
Проведены расчеты и построения изотермических разрезов диаграммы стабильного
равновесия сплавов Fe-C-Si для интервала практически важных содержаний кремния
(до 20 % ат) В диссертации приведены рассчитанные изотермические разрезы при
температурах 1450, 1400, 1350. 1250. 1200, 1160, 1150, 1100, 835 и 550''С. Указан­
ный набор температур обусловлен выявленным в
процессе расчетов нали­
чием
комплекса
монвариантных
равновесий
в
системе:
эвтектическиперитектических а + L «-► у + L, (при - 1400°С). а + L, •е-^ а, + у (при ~ 1200°С), I, +
Li «-► Y + г (при ~ lieO'C) и Y + L|<-> «2 + Г (при ~ 115(fC); эвтектоидноперитектоилных аз + у <-* a + Г (при ~ 835''С) и Ог + Г <-♦ а •
♦ а, (при ~ 550°С). При­
ведены также изотермические разрезы при нескольких переходных температурах
(1450,1350, 1250и1100°С).
Установлено, что при температуре около 1150°С происходит кристаллизация
расплава с образованием не только у-фазы, но и одной из а-фаз. В данном исследова­
нии впервые учтены не только выявлен1!ые в последние голы возможности рас­
слоения а-фазы, но и неполная смешиваемость расплавов при определенных содер­
жаниях кремния.
В областях твердофазного состояния (при температурах 1100°С и ниже) при
обычно используемых содержаниях кремния с понижением температуры осуществ­
ляется переход от аустенитно-фафитной структуры к структурам с а-фазами При
содержаниях кремния до 7-7,5 % ат это г переход происходит по обычной схеме че­
рез эвтектоилное превращение у ■^ а +Г", причем температура области эвтектоидного
равновесия повышается с увеличением содержания кремния в системе. Однако при
более высоких содержаниях кремния реализуются другие схемы - с образованием
фазы а^ и последующим ее расслоением на фазы а и a i .
По изотермическим разрезам диа1раммы построены политермические разрезы
при разных содержаниях кремния и углерода (в качестве примера приведен разрез на
рисунке 2) В диссертации приведень! наиболее важные из них, сопоставимые с из­
вестными из литературных источников разрезами диаграммы, позволяющие прово­
дить анализ структурообразования и выявление особых структурных эффектов в
наиболее широко используемых сплавах- при содержаниях кремния 5, 7. 10 и 15%
ат. (или 2,5-3. 3.6-4.3, 5,3-6.3 и 8,1-9,8% мае соответственно) и при солержагшях уг­
лерода 5 и 15%ат (или 1,1-1.2 и 3.6-4.1% мае соответственно).
На основе построенных разрезов диаграммы объяснены особенности процес­
сов структурообразования в легированных кремнием сталях и чугунах.
В низкоуглеродистых сталях с содержанием кремния до 2-2,5% мае структу­
ра формируется в основном по обычной известной схеме, хотя в процессе кристалли­
зации при высоких температурах возможен переход от расплава L| к расплаву L с со­
ответствующим изменением характера ликвации кремния Однако этот переход ос>шествляется в очень >зкой области температур и не оказывает существенного влия­
ния на характер кристаллизующихся фаз. При перехоле к высокоуглеродистым ста­
лям и чугунам в кристаллизующемся расплаве увеличивается доля фазы L|. что опрелеляет наличие прямой ликвации кремния в дендритах первичного аустенига. Од­
нако в процессе эвтектической кристаллизации доэвтектических чугунов, протекаю­
щей при небольших переохлаждениях и постоянной температуре, на первичные дендриты аустенита накладываются участки эвтектического аустенита без заметного яв­
ления ликвации. Если кристаллизация чугуна происходит в условиях значительного
переохлаждения (т.е. при ускоренном охлаждении), то проявляется эффект рекалес­
ценции, приводящий к изменению характера ликвации кремния в эвтектическом аустенитс. В результате в кристаллах аустенита проявляется смешанная ликвация
кремния - прямая ликвация в участках первичного аустенита и обратная ликвация в
наслаивающихся участках эвтектического аустенита.
В чугунах и сталях с повышенным содержанием кремния (3-3,5% мае.) воз­
можно проявление необычного для чугунов и сталей структурного эффекта, заклю­
чающегося в расслоении феррита (а-фазы) на обычный феррит (обьтную а-фазу) и
кремнистый феррит (силикоферрит) или фазу а,. Этот эффект усиливается при уве­
личении содержания кремния в сплаве, а при содержании 7-7,5%Si мае. в структуре
сплавов из u-фаз может оставаться только один силикофсррит. Характерно также.
410 в таких высококремнистых сплавах в процессе их кристаллизации образуется фа­
за Иг которая в процессе охлаждения претерпевает эвтектоидный распад при темпе­
ратурах 550-540''С с переходом в смесь фаз а и а| (рисунок 2)
1100
1000
Рисунок 2 - Один из
построенных политерviH'iecKHx разрезов диа­
граммы стабильного
равновесия Fe-C-Si
се
о.
I-
а
CL
<и
с:
>5
5
75
10
12 5
Содержание кремния, % ат.
В чугунах. содержащих около 3,5%Si мае, возможно формирование необыч­
ных струк-iyp Это содержание кремния близко к "граничному" между сгглавами с
обычным структурообразованием и сплавами с эвтектоидно-псртектоидным пре­
вращением при 835°С В первом случае в >скоренно охлажденных ставах получает­
ся структура с преобладанием перлита Во втором случае образуются а-фазы, ини­
циирующие образование ферритных, а не перлитных структур Н отливках из таких
сплавов возможно протекание ликвационных процессов с образованием зон с содер­
жанием кремния, ниже и выше граничной концентрации, что отражается и на конеч­
ной структуре сплавов в виде резкого перехода от перлитных участков к участкам с
ферр1ГГной структурой 'Зтот эффект подтвержден экспериментально (рисунок 3).
В работе осуществлен переход or фрагмешгарного к общему представлению
исследованной части диаграммы, которое включает перечень всех моно- и нонвариантных равновесий, схему моио- и нонвариантных равновесий с определением связи
этой системы с исходными системами Fc-C и Fe-Si (рисунок 4). проекции областей
диаграммы на две вертикальные плоскости (при переменных содержаниях углерода и
кремния соответственно) и на горизонтальную плоскость диафагимы Приведены
также схемы формирования в системе Fc-C-Si некоторых трехфазных обласгей из
пересекающихся двухфазных областей, а также обратный переход из тройной систе­
мы в исходные двойные системы трехфазных областей путем их разделения на двух­
фазные области.
Рисунок 3 - Наличие двух структур}п.1Ч
зон (перлитной и ферритной) а сером чу­
гуне огливки, попучен11ой С1юсобом литья
по выплавляемым моделям
СИСТЕМА
F e - С - S i (до 20% S i а т )
Fe-C
1;1
Ш
~160в
\L*I\[С* а]—1-ISOO
1 ;■.
1 <-'
1
1
Г^
,■
■
♦
]
^ь
7]
т_
II51
\y*l*L,\
JT
U79
у
1 о + О; +y
-)l*e ' —
^l^■L,^■l ■■
'
-lis»
J - a,*y *l.i*r
r
'
Jl
i
1145
1
\ац^ Oii
\a,*Li*r\
;
-83S
г
Г
V
-♦'
1
1—\a-*- Oj+i
r 1
с
L
. . . . ^.1
r\
1
,
-)20в '
a + a: * y*L, 1
но,. + у*1-'
Ir^a+rKl
-550 .
a*a,*
,
\
•
a, *r \
540
|а+а,+Г|
[o.tZ>-
a|
1
( а + 1 + Li 1-1510
-* ^i^oe
i"
а * у * L * L, 1
1
7.15
;i
Г7
li
!*
^
1
-
'
1
I
Fe ~ S i
г+*1
>l "rv"'
Рисунок 4 Схема моно- и
нонвариантных
равновесий в
стабильной
системе Fe-C-Si
(до 20%
SI
ат )
Построены и приведены проекции областей рассюения расплава Эти области
имеют купотообразный вид с вершиной при высоких температурах, зависящих от со­
держа 'ИЯ углерода в сплавах Между трехфазными областями находится двухфазная
область расслоения расплава (без избыточных фаз) При температурах выше 15101600°С расплав становится однофазным Гакой характер расплава объясняет особен­
ности влияния термовременной обработки и высокотемпера1урного модифицирова­
ния patnjiaaa на струк-1урообразование в графит изирующихся мугунах
Результаты проведенных исследований использованы при разработке сплавов
с особыми свойствами и способов получения изделий из таких сплавов, например,
способа получения двухслойных композиционных отливок с наружным твердым и
износостойким слоем и внутренней частью, ибесиечиваюшей повышенную пластичносгь и ударную вязкость всей конструкции Особенно сильно проявляются преиму­
щества такой конструкции при использовании высокопрочного чу1уна с ишровидным графитом
Значительное влияние на структуру и свойства сплавов Fe-C-Si оказывает
олово. Огю способе!вуст (стерогени^ации феррига Особенно сильное влияние ока­
зывает олово при модифицирующей обработке жидкого сплава. 1акой сплав в про­
цессе кристаллизации и охлаждения не гомогенизируется и в его Сфуктуре остаются
микрозоны, резко обогащенные оловом. В тгих микрозонач обычный феррит заменяегся фазой а, при сохранении обычной ферритной структуры в остальных объемах
сплава Микрозоны с фазой a i отличаются 1ювып1снной микротвердостью (HV 400450), что практически не сказывается на средней твердое!и cnjiaea. но резко повыша­
ет его износостойкость и ухудшает обрабагываемость резанием лезвийным инсгрументом Это свидетельствует о высокой износостойкости чугуна, но при разработке
cociaea такого из!10состойкого 4yiy!!a и способ<1 получения из нею изделий необхо­
димо решить проблему его обрабатываемости резанием
В третьей главе приведе1!а методика эксперимента;!Ьных исследований
При получении чугунов использованы два метода плавки индукционной
электроплавки в кислых тиглях емкостью от 50 до 200 кг и ва1раночной плавки Дан­
ные по хи.мическому составу и С1ЮСобу получения некоторых исследуемых чугунов
представлены в таблице 1
Таблица 1 - исследованные чуп ны и способы их получения
Способ
Сс держание элементов, % мае
чугуна
плавки
С
S!
Мп
Ст
Р
Ваграноч1I
3.24
2,78
0.47
0,06
0.13
Н!>!Й
12
3.28
3.20
0.50
0,03
0.11
13
3.15
3,66
0,55
0,03
0.14
14
3.18
4,07
0,56
0,04
0.10
2.81
0,03
0.04
21
0,33
Элекгро3.62
печиой
2.2
3,44
3.15
0,31
0,03
0,05
23
3,40
3,60
0,29
0,02
0.03
24
3,43
4.18
0,37
0,02
0.04
3,55
2.90
0.32
0,03
0.04
Электро­
3.1
печной
32
3,48
3,42
0.36
0,03
0.03
33
3.61
3,89
0,30
0,02
0.04
Способ моди­
фицирования
Без силикобария
Без силикобария
С силикобарием
При выпуске чугуна ваграночной плавки температура чугуна на желобе со­
ставляла Т-ЗбО-КЗвО^С, при электроплавке 1400-1420''С, а при использовании печей
«разливочных ковшей малой емкости (50-60 кг) - 1430-1450°С
Мочифицирование жидкого чугуна проводили в обычных конических разли­
вочных или раздаточных ковшах емкостью от 50 до 200 кг с отношением высоты к
диаметру 1,5-2. В качестве модификатора использовали комплексные лигатуры типа
ЖКМК, содержащие 7-10 % Mg. 3-6 % Са. 1,5-3 % РЗМ. 45-55 % Si, осгальнос - же­
лезо и примеси В случае необходимости повышения прочностных свойств чугуна
дополнтельно к этой лигатуре добавляли 1себольшое количество лигатуры типа
ЖКМК-М Флюсом при модифицировании служил плавиковый шпат С целью уве­
личения "живучести" эффекта модифицирования, измельчения структуры чугуна и
повышения механических свойств феррита, особенно пластичности (относительно1"0
удлинения) и ударной вязкости, проведены исследования влияния дополнительного
использования силикобария в составе модифицирующей смеси
Модифицирование проводили методом "сандвич-процесса" Лигатуру и пла­
виковый шнат пригружали в ковше прогретой до 500-600''С чугунной решеткой, спе­
циально о гливаемой по размерам лонной части ковша.
Исс.1Сдования влияния термической обработки были проведены с использова­
нием одностадийною низкотемпературного отжита Целью этих исследований была
Разработка раииот1альнот о режима такого 01жига, обеспечивающею полную ферритизациюструктуры при миттима-иэной ^тлигелыюсги и наиболее подходящей темпера­
туре выдержки Также определяли раииональттые условия охлаждения отливок после
выдержки ттри отжит е. так как режим охлаждения оказывает значительное влияние на
пластичность и ударттую вязкость чутуна
Контромь чутутта в отливках проводили с использоваттием химического анали­
за чугуна до и после модифицирования, металлотрафичсскот о анализа с изучением
формы и распределения графитных включстгий и особенностей структуры металли­
ческой матрицы, определеттия твердости KB, механических испытаний на растяжение
•' Ударный из1"иб с опреде;тением предела прочности Oj, относительного удлинения 6
и ударной вязкости КС на гладких (ненадрезапиых) образт1ах
Дтя проведения указанных видов анализов и изютовления образцов для испьпаний отливались пробы для отбора стружки на химический анализ, клиновые
'фобы на отбел и определение качества модифицирова>гия. клиттовая проба для выPejKH образтюв на механические испытания
Расттределение кремния между аустенитом и ферритом изучали с помощью
'•азерного микроспектрального анализа на установке 'LMA-l тю интенсивности ли­
нии 4128 Л в сравнении с фоном Локальность анапиза составила 10-15 мкм Обра-З'1Ь|, содержащие 0.52% С, 5.2% Si, 0.!2"/о Мп, 0,07% S и 0,05% Р. предварительно отЯгигади и закаливали, фиксируя распределение кремния между фазами сплава при
температуре отжига И качестве эталона использовали ферритный гомогенизирован­
н ы й чугун с известным содержанием кремния.
Металлографический анализ ттроводился на оптических микроскопах МИМ^»М и «Неофот-2» при различных увеличениях (от 100 до 1500 раз). Для выявления
особенностей структурною состояния феррит ной матрицы чугуна проводили сттециэ л ь н у ю обработку шлифа с использованием комбинированного травления, заклю­
чающегося в сочетании предварительного химического травления с послсдуютцим
тепловым гравлеттисм и окончательным легким полированием. Металлографический
а н а л и з таких ит;тифов проводился при больших увеличениях (1350-1500 раз). Особен­
но Четко i етерогенизированная структура феррита нaблюдaJтacь на образцах с
Лосгагочттым содержанием кремния после их термической обработки, обеспсчи10
вающей нерестаривание феррита и двойникование включений силикоферрита.
Триботехническне испытания чугунов и других сплавов проводили в услови­
ях сухого трения металл по металлу на модернизированной машине МИ-1М и устаHOBi ^ СМЦ-2 В процессе испытаний определяли износ образцов и контртела, коэф­
фициенты трения в различных условиях.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований
химического состава, структуры, механических и триботехнических свойств полу­
ченных чугунов, представлены результаты экспериментального исследования прояв­
лений в кремнистых чу1 унах особых структурных эффектов.
Показано, что сочетание рационального химического состава, электропечного
способа плавки и комплексного модифицирования позволяет получать высокопроч­
ный чугун с шаровидным графитом, имеющий в литом состоянии структуру без при­
знаков отбела и с преобладанием фсрритной матрицы Эффективным средством
улучтиения структуры такого чугуна является использование в составе модифици­
рующей смеси небольших добавок силикобария С'иликобарий способствует измель­
чению микроструктуры и увеличению сгепени ферритизации чугуна.
При модифицировании как ваграночных, так и электропечных чу|унов необ­
ходимо учитывать содержание в них серы. При повышенном содержании серы воз­
можно неломолифицирование. а при низком ее содержании - перемодифицированис
чугуна В обоих случаях в структуре чугуна появляются фафитные включения пере­
ходных форм, и даже пластинчатый графит.
Механические свойства некоторых исследованных чу|унов (см. (аблицу I) в
литом и отожженном состояниях приведены в таблице 2.
Из приведенных данных и результатов дополнительных исследований видно,
что при ваграночной плавке чугуна трудно обеспечить высокий уровень пластично­
сти и ударной вязкости Только при пониженном содержании кремния (менее 2.7 % )
можно обеспечить достаточную пластичность, но ударная вязкость чаше всего оста­
ется недостаточной
Таблица 2 - Механические свойства некоторых исследованных чугунов
№
Свойства в состоянии
чугу­
на
литом
Ов.
МПа
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
3.1
3.2
3.3
508
496
527
539
517
518
545
557
516
520
544
6.%
4
5
5
2
10
14
12
8
16
18
12
КС,
Дж/см"
42
50
57
54
76
80
86
78
98
96
89
отожженном
Твер­
дость
НВ
217
201
197
197
183
170
179
179
170
167
170
11
овМПа
428
430
442
456
460
458
472
480
476
483
490
5.%
КС, ^
Дж/см'
8
8
6
5
22
20
16
10
22
22
17
73
66
60
54
123
112
99
80
146
122
98
Твер­
дость
НВ
156
159
167
174
149
156
163
170
149
159
167
в литом состоянии сочетание высоких свойств (прочности, пластичности и
ударной вязкости) можно обеспечить при электроплавке чугунов и комплексном мо­
дифицировании с использованием силикобария. Наилучшее сочетание свойств обес­
печивается при содержании кремния 3,3-3,5 % .
При содержании в чугуне более 5 % Si в его структуре резко увеличивается
количество силикоферрига (фазы Oi), механические свойства ухудшаются (снижают­
ся прочность, пластичность и ударная вязкость). При ~ 6 % Si чугун имеет сильно гетерогенизированную ферришую структуру и следующие свойства: твердость 300-320
НВ. 0,-300-350 МПа, КС менее 10 Дж/см^
Разработанный режим одгюстадий1юго ферритизирующего отжига при 720750 " с обеспечивает получение в отливках с толщиной стенки 20-30 мм чисто ферритной структуры. При этом у чу1уна электроплавки, модифицированного с добав­
кой силикобария. относительное удлинение можег повышаться до 20-25 % . а ударная
вязкость КС - до 110-120 Дж/см^ при снижении твердости до 150-160 НВ. ПpeдeJi
прочное!и при таком отжиге сохраняется на достаточно высоком уровне (о„=430-450
МПа) Охлаждение после отжига следует вести ускоренно на воздз'хе для тонкостен­
ных отливок, в воле для отливок с толщиной стенки более 20 мм.
В чугунах с повышенным содержанием кремния проявляются некоторые ано­
малии свойств, обусловленные особыми структурными эффектами. Результаты меха­
нических испытаний на растяжение приведены на рисунке 5 в виде зависимостей, ха­
рактеризующих влияние кре\тнчя на предел прочности Ов (рисунок 5.а) и относи­
тельное удлинение 6 (рисунок 5.6). Зависимости свилетепьствуют о наличии на кри­
вой двух максимумов предела прочности чугуна в литом состоянии -600 МПа при
перлитной стр\кг\ре и -560 МПа при чисто ферритной структуре Пластичность чу­
гуна (относиleibHoe удлинение) резко возрастает при переходе от перлитной струк­
туры к феррн'ной. достигая максимума при содержании кремния в чугуне -3.2%
При дальнейшем повышении содержания кремния в чугуне (от 3.2 до 4.2%) прочно­
стные свойп ва чугуна повышаются, а пластичность заметно снижается. С увеличе­
нием содержания кремния сверх 4.2% происходит значительное снижение и прочно­
сти, и пластичности.
Дтя чугуна с ферритной структурой (в отожженном состоянии) зависимости
упрощаются с увеличением со.тержания кремния пластичность чугуна снижается
(особенно резко в интервале 3 5-5%Si). а на кривой изменения прочности чугуна на­
блюдается только один максимум
О натичии структурных изменений свидетельствует и график влияния крем­
ния на износостойкость чугуна (рисунок 6). Сопоставляя графики на рисунках 5.а и 6,
видим, 410 между временным сопротивлением разрыву чугуна и его износостойко­
стью наблюдается хорошая корреляция для литого состояния обе зависимости и.мсют два максимума (перлитный и ферритный) при одних и тех же содержаниях крем­
ния Дтя износостойкости чу туна в отожжентгом состоянии характерна зависимость с
одним максимумом (как и дтя временного сопротивления разрыву)
Причиной установленных аномалий является спинодальное расслоение фер­
рита на обычный феррит (а-фазу) и силикоферрит (фазу aj) (рисунок 7). Максимумам
прочности и износостойкости ферритного чугуна с шаровидным графитом соответС1вует содержание кремния 4,2 % и расслоение феррита с количеством силикоферрита около 25 %.
С использованием выявленных структурных эффектов путем дополнительных
экспериментальных исследований разработаны специальные фсрритные чугу1ты с
высокими механическими свойствами и способ их получения Разработка заявлена в
качестве изобретения и включает составы чугунов. способ их выплавки и модифи-
12
цирования, способ термической обработки отливок из них Химический состав чугу­
на обеспечивает возможность частичной гегерогенизации феррита. Особенносгь
герм "ческой обработки состоит в сочетании гомогенизирующего огжига, ферритизирую1^ей обработки и искуссгвенного старения феррита
I
S
eSO
.
600
5
SSO
а
\^1
«
I
500
S.
У^^
~
460
3
4
Содержание
S, 400
кремния,
5
%
2--
S
^
а;
«
4)
oJ «
б
С"
/^
%1
;
S
11
о
=s
3
4
tTi*dep:)tcaHuc
крампиЯу
6
%
Рисунок 5 - Влияние содержания кремния на предел прочности при растяже­
нии (а) и относительное удлинение (б) чугуна с шаровидным графитом. 1 - в литом
состоянии, 2 - после ферритизирующего отжига
1.6
а;
1.2
гг
•S.
I
,
^^
у\
0.8
■«.
3
0.4
'2
Ч
Соберзкание кремния, %
Рисунок 6 - Влияние содержания кремния на износостойкость чугуна,
литом состоянии, 2 - после ферритизирующего отжига
13
|J«№irC
^m
."^*5
^^I^Wj
• ^ -Л*
Jff^X
*,
"* * !
'I»TS
J ^ ^
ЩШ^^Ш.
Рисунок 7 - Микростр>к1уры чугуна с рас­
слаивающимся ферри1ом, лвойнос гравлеиис,
х1350
K^Si
'Ш^т
Разработан и заявпен в качестве изобретения антифрикииопный фсрригный
чу 1 \ м. особенностью структуры которого является высокая степень гетсрогенизации
феррита ja счст cпинoдaJlьиoгo pact юения и частичкою иереегаривания С этой це1ЫО в составе чугуна увеличено со1сржание кремния и 1огю1ните'гыю яведсио не­
большое количество олова Для уменьшения ферритной хрупкости чугуна он леги­
рован молибденом Разработанный чугун отличается низкими значениями твердости
и ко1ффициента трения, обеспечивая при отом малый износ сопряженной де-тали
В приложениях приведены заявки на изобретения, протоколы производст­
венных испьпаний и акт промышленното использования разработанного ферритного
чугуна с повышенными механическими свойствами
Основные результаты и выводы
1 Система стабильного равновесия Fe-C-Si является для чутунов и сталей од­
ной из наиболее важттых Однако, некоторые области диаграммы были установлены
приближенно, имеется всею несколько изотермических ра?рсзов. отсутствуют поли­
термические разрезы в координатах t. "С - % Si На диаграмме не учтены фазовые
равновесия и структурные эффекты, выявленные в последние годы, в частности, рас­
слоение расплава и а-фазы Особое значение зти эффекты имеют для высокопрочных
ч\ Гунов с повышенным содержанием кремния
2 В работе использована методика термодинамическою расчета и построе­
ния изотермических разрезов диаграмм состояния тройных систем. Проведены рас­
четы и построения 10 изотермических разрезов лиафаммы стабильного равновесия
сплавов Fe-C-Si. Впервые при гтостроении разрезов учтены новые данные, связанные
со спинолапьным расслоением и-фазы и несмешиваемостью yi леродистого и крем­
нистого расплавов железа По изотермическим разрезам диаграммы построены поли­
термические разрезы при разных содержаниях кремния и углерода.
3 В работе осуществлен переход от фрагментарного к общему представле­
нию исследованной части диафаммы (до 20 % Si ат), которое включает перечень
всех моно- и нонвариантпых равновесий, схему этих равновесий с определением
связи между системой Fe-C-Si и исходными системами Fe-C и Fe-Si. проекции об­
ластей диафаммы па две вертикальные плоскости и на горизонтальную плоскость
диаграммы Построены и приведены проекции областей расслоения расплава
14
4 Значительное влияние на структуру и свойства сплавов Fe-C-Si оказывает
олово, способствуя гетерогенизации феррита Особенно эффективно действие не­
больших добавок при обработке жидкого чуг)'на В структуре такого чугуна остают­
ся микрозоны, резко обогащенные оловом и имеющие повышенную твердость В
этих N мкрозонах обычный феррит заменяется фазой аь что приводит к повышению
износоса йкости чугуна, но ухудшает его обрабатываемость резанием лезвийным
инструментом.
5 Для проведения металлографического анализа чу1унов с гетерогеиизированным ферритом разработан и использован способ комбинированного травления
микроп1лифов, включающий предварительное травление питалем, Tcnjrosoe травле­
ние при 350-360" С и заключительную операцию легкого по.шрова1шя Микрострук­
тура гетерогенизированного феррита на таких шлифах хорошо выявляется при
больших увеличениях оптического микроскопа (1300-1500 раз), особенно после перестаривания феррита и двойникования включений силикоферрита.
6 При вафаночной плавке чугуна трудно обеспечить высокий уровень пла­
стичности и ударной вязкости В литом состоянии сочетание высоких свойств (проч­
ности, пластичности и ударной вязкости) можно обеспечить при электроплавке чугунов и комплексном модифицировании с использованием силикобария Наилучшее
сочетание свойств обеспечивается при содержании кремния в чугуне 3,3-3,5 %.
Разработанный режим ферритизирующего отжи1а позволяет получать в от­
ливках с Т0Л1ЦИН0Й стенки 20-30 мм чисто феррит ную структуру, обеспечивая высо­
кую пластичность (5=20-25%) и ударную вязкость (КС=110-120 Дж/см') чугуна при
его достаточно высокой прочности (а,=430-450 МПа)
7 В кремнистых чугунах с шаровидным графитом проявляются некоторые
аномалии свойств при ферритной структуре появляются максимумы прочности и
износостойкости, при содержании около 3,5 % Si резко меняется интенсивность
влияния кремния, в частности, темп повышения прочности и износостойкости ферритною чугуна и снижения его пластичности
Причиной этих аномалий является спинодальное расслоение (гетерогенизация) феррита Максимумам прочности и износостойкости ферритного Ч Ш Г соответ­
ствует содержание кремния -4,2 % и рассзюение феррита с количеством силикофер­
рита около 25 %
8 С использованием выявленных структурных эффектов разработаны и заяв­
лены в качестве изобретений'
- специальные ферритные чугуны с высокими механическими свойствами и
способ их гюлучения;
- а!ггифрикиионный фсрритный чугун
Первая разработка включает составы чугунов, сгюсоб их выплавки и моди­
фицирования, способ термической обработки отливок из них. Особенность термиче­
ской обработки состоит в сочетании гомогенизирующего отжига, ферритизирующей
обработки и искусственного старения феррита
Во второй разработке определен химический состав nyiyna, обеспечивающий
высокую степень гетерогенизации ферритной структуры Такой чугун отличается
низкими значениями твердости и коэффициента трения, обеспечивая малый износ
сопряженной детали.
15
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
1
Сильман Г И , Тарасов А А , Харитонеико С Л. Оценка предельных условий
работоспособности новых антифрикционных чугунов // Вклад ученых и спе­
циалистов в национальную экономику. - Сборник материалов научно1ехнической конференции -Брянск Изд-во БГИТА, 2002.-С 115-117
2
Сильман Г И , Малахов А С , Харитонеико С А Полз^ение ферритного Ч Ш Г
с повышенными механическими свойствами // Материаловедение и производ­
ство: Межвузов сб науч тр. Вып 3 / Под ред Г.И. Сильмана.- Брянск: Изд-во
БГИТА, 2003.-0173-181.
3
Сильман Г. И , Малахов А С , Харитонеико С А Термическая обработка от­
ливок на ферритный Ч Ш Г // Материаловедение и производство- Межвузов сб
науч тр Вып 3 / Под ред Г И. Сильмана - Брянск: Изд-во БГИТА, 2003 - С 182189
4
Сильман Г И , Харитонеико С А Особые структурные эффекты в сплавах FeC-Si // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику - Сборник
материалов научно-технической конференции Т 1 - Брянск- Изд-во БГИТА,
2004 - С 23-28
5
Сильман Г И , Харитонеико С А Исследование влияние олова в сплавах сис­
темы Fe-C-Si // Вклад ученых и специалистов в национальную эко!юмику Сборник материалов научно-технической конференции Т 1. - Брянск- Изд-во
БГИТА, 2004-С.12-15
6
Сильман Г И , Камынин В В , Харитонеико С А Расчет, построение и анализ
изотермических разрезов стабильной диаграммы Fe-C-Si // Вестник БГИТА
Вып 1/Под ред Г И Сильмана - Брянск Изд-во БГИТА, 2005-С 16-28
7. Сильман Г. И , Камынин В В , Харитонеико С А Построение и анализ поли­
термических разрезов диаграммы стабильного равновесия Fe-C-Si // Вестник
БГИТА Вып 1 / Под ред Г И Сильмана - Брянск- Изд-во БГИТА, 2005 -С 2938.
8
Сильман Г И , Камьшин В В , Харитонеико С А Особые эффекты в структурообразовании фафи-i изированных кремнистых чугунов // Вестник БГИТА
Вып 1 / Под рел Г И Сильмана - Брянск- Изд-во БГ'ИТА. 2005 -С 90-95
9
Сильман Г И , Камынин В В , Харитонеико С. А Влияние кремния на струк­
туру и свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом // Метал­
ловедение и термическая обработка металлов, 2005-В печати
10 Сильман Г И . Камынин В В , Харитонеико С А Антифрикционный чугун
Положтельное решение по заявке
на изобретение № 2004118167/02 от
15 06 04
П. Сильман Г И , Камынин В.В , Харитонеико С. А Чугун, способ его получения
и способ термической обработки отливок из него Положительное решение по
заявке на изобретение № 2004122439/02 от 19 07.04.
16
|i2398t
РНБ Русский фонд
2006-4
23312
Подписано к печати
Формат 60x84 1/16
Печатных листов 1
Тираж 100 экз. Заказ
Тульский государственный университет
300600, г.Тула, пр-т Ленина, 92
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
978 Кб
Теги
bd000102910
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа