Технологія виготовлення та обробки графітизованих сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ТА ОБРОБКИ ГРАФІТИЗОВАНИХ СТАЛЕЙ

Спеціальність: Матеріалознавство

Акімов Іван Васильович

Запоріжжя, 2004 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основна тенденція розвитку машинобудування - зниження матеріалоємності машин і механізмів при одночасному підвищенні їх надійності та довговічності досягається, головним чином, в результаті вибору конструкційного матеріалу, що найповніше відповідає умовам експлуатації виробів.

Графітизовані чавуни (сірі, ковкі та високоміцні) знаходять широке застосування для деталей, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень, в умовах зносу при сухому терті й в умовах агресивних середовищ при підвищених температурах (станини верстатів, корпуси редукторів, колінчасті вали двигунів внутрішнього згоряння, валки прокатних станів, виливниці для розливання чорних і кольорових металів, кокілі, деталі пічної арматури та ін.). Переваги чавунів полягають у наявності багатьох цінних властивостей: низької собівартості, високої технологічності та здатності до демпфування, теплопровідність, рідкотекучість та ін. Це пояснюється значним вмістом вуглецю і кремнію в їхньому складі, а також значної кількості (7-12% об'ємн.) графітної фази у структурі. У порівнянні з металевою матрицею графіт має вищу теплопровідність і меншу змочуваність рідкими розплавами, що сприяє підвищенню теплопровідності чавунів, зменшенню термічних напружень і зниженню швидкості хімічної взаємодії на поверхні поділу чавун - розплав.

У той же час, унаслідок значного вмісту графітної фази в структурі, чавуни, у першу чергу сірі, мають порівняно низькі механічні властивості. В умовах зростання параметрів робочих процесів машин і механізмів потрібні матеріали, які сполучали б цінні властивості чавуну з більш високими показниками міцності, пластичності й тріщиностійкості. До таких матеріалів відносяться графітизовані сталі, які становлять за хімічним складом залізовуглецеві сплави з підвищеним вмістом кремнію. Особливість графітизованих сталей полягає у наявності графітових включень в структурі, які надають цим матеріалам специфічні властивості чавунів. Але на відміну від чавунів вміст графіту в цих матеріалах у 2-3 рази менший, що обумовлює вищі показники механічних і службових властивостей. Аналіз літературних даних дозволяє зробити висновок про те, що заміна графітизованими сталями чавунів, вуглецевих та легованих сталей дасть можливість підвищити надійність і довговічність деталей, які працюють в умовах статичних, динамічних і циклічних навантажень, високих температур і агресивних середовищ, а також в умовах зношування. У той же час механічні й службові властивості цього матеріалу, насамперед такі, що визначають надійність і довговічність деталей (в'язкість руйнування, циклічна тріщиностійкість, втомна міцність, термостійкість), вивчені недостатньо, що обмежує його застосування у машинобудуванні. В Україні виробництво графітизованих сталей фактично не налагоджено, немає технічних вимог і державних стандартів, що регламентували б їхні склади і вимоги до якості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі результати дисертації виконувалися згідно з планами науково-дослідної роботи ЗНТУ за темою “Вдосконалення технології виробництва сплавів на основі алюмінію та міді”, держаний реєстраційний №0104U004068, обліковий державний №0204U005097. Отримані результати дали підставу для проведення подальших досліджень у 2004-2006 роках у рамках ДНТП України №6 "Нові речовини і матеріали", підрозділ 6.1 "Нові конструкційні матеріали", по темі "Розробка та впровадження низьколегованих графітизованих сталей з підвищеними міцністю, тріщиностійкістю і термотривкістю".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у розробленні складів низьколегованих графітизованих сталей з високими показниками фізико-механічних та службових властивостей: тимчасового опору при розтязі, пластичності, статичній в'язкості руйнування, критеріїв циклічної в'язкості руйнування, довговічності при малоцикловій втомі, теплопровідності і термостійкості.

Для досягнення поставленої мети в роботі було поставлено та вирішено наступні задачі:

1. Отримано регресійні залежності, що описують вплив кремнію, міді й алюмінію на структуру і властивості графітизованих сталей;

2. На основі отриманих регресійних залежностей проведена графічна оптимізація хімічного складу графітизованих сталей за вказаними елементами, визначено склад, який забезпечує одержання оптимального сполучення показників механічних властивостей;

3. Досліджено механізми тріщиноутворення й руйнування при статичному та циклічному навантаженнях, отримані кількісні оцінки ролі графітових включень різної форми у процесах руйнування графітизованих сталей;

4. Досліджено вплив міді та комплексного легування марганцем, хромом, нікелем й молібденом на властивості сталей, розроблені склади легованих графітизованих сталей з високим рівнем фізико-механічних та службових властивостей;

5. Проведено випробування в промислових умовах одного з розроблених складів сталей.

Об'єктом дослідження були графітизовані залізовуглецеві сплави заевтектоїдного класу.

Предметом дослідження були процеси структуроутворення і механізми руйнування графітизованих сталей під дією статичних, циклічних й термоциклічних навантажень.

Методи дослідження. З метою дослідження впливу складу на структуру і властивості сплавів проводили структурно-фазовий аналіз за допомогою металографічного й енергодисперсійного методів. Із застосуванням як стандартних, так і спеціальних методів досліджували механічні, теплофізичні й службові властивості сплавів. З метою математичного моделювання впливу складу сплавів на показники їхніх механічних властивостей використовували метод регресійного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

Встановлено, що в залежності від вмісту кремнію кристалізація графітизованих сталей може відбуватися за метастабільною і стабільною схемами, що призводить до одержання компактного (після відпалювання) або пластинчастого графіту, а також його проміжних форм, і відповідно до зміни показників міцності, відносного видовження, опору втомному руйнуванню, коефіцієнта інтенсивності напружень і теплопровідності у широких межах.

Із застосуванням методів математичного планування експерименту отримано залежності, що описують вплив кремнію, міді й алюмінію на показники міцності, пластичності, статичної й циклічної в'язкості руйнування, які дозволяють оптимізувати склади графітизованих сталей.

Вперше отримано кінетичні діаграми втомного руйнування графітизованих сталей, які показали, що за опором руйнуванню при циклічному навантаженні вони у середньому у 1,5 рази перевищують високоміцні чавуни феррито-перлитного й перлітного класів.

Вперше отримано дані про вплив хімічного складу (Sі, Mn, Cr, Nі, Mo, Cu, Al) і термічного оброблення (графітизуюче і сфероідизуюче відпалювання, нормалізування з відпусканням) на коефіцієнт інтенсивності напружень К1С графітизованих сталей, які показали, що за цим показником графітизовані сталі перевершують високоміцні чавуни феррито-перлитного і перлітного класів у 1,3-1,6 рази.

Практична цінність отриманих результатів. На підставі отриманих експериментальних даних для промислового впровадження рекомендовані три марки сталей: 150СДЛ - для деталей загального призначення, 150СД2Л - для деталей, що працюють в умовах термоциклічного навантаження, 150ХГСНЛ - для відповідальних деталей, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень.

Результати промислових випробувань сталі 150СД2Л показали, що виготовлені з неї виливниці, завдяки вищим показникам механічних властивостей, мали стійкість у 1,2 рази більше стійкості виливниць з високоміцного чавуну марок ВЧ35, ВЧ45, що дозволило рекомендувати її як конструкційний матеріал виливниць для розливу мідних та алюмінієвих сплавів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, що визначають сутність дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, що написані у співавторстві, здобувач:

1. із застосуванням сучасних засобів досліджень проаналізував вплив структурних факторів на механізми руйнування графітизованих сталей при статичному та циклічному навантаженнях, оцінив їхню роль у процесах тріщиноутворення й руйнування;

2. провів оброблення експериментальних даних, отримав регресійні і графічні залежності, які описують вплив хімічного складу на показники конструктивної міцності графітизованих сталей;

3. одержав залежності, які описують вплив комплексного легування кремнієм, міддю, алюмінієм, хромом, марганцем, нікелем та молібденом на структуроутворення й механічні властивості графітизованих сталей після різних видів термічного оброблення;

4. одержав залежності, які описують вплив збільшуваного вмісту міді на структуроутворення, механічні властивості, теплопровідність та термостійкість графітизованих сталей після різних видів термічного оброблення;

5. провів промислові випробування однієї з розроблених сталей, показав технічну й економічну доцільність її застосування як конструкційного матеріалу виливниць для розливання алюмінієвих і мідних сплавів замість високоміцних чавунів марок ВЧ35, ВЧ45.

У співпраці із співробітниками Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України д. т. н. О.П. Осташем, к. т. н. І.М. Андрейком та Ю.В. Головатюком були проведені випробування на циклічну тріщиностійкість графітизованих сталей.

Публікації.

Основний зміст дисертаційної роботи висвітлено у 12 друкованих працях, серед них 9 у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура та обсяг дисертації.

Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та одного додатку. Обсяг основного тексту дисертації становить 141 стор. Вона містить 56 рисунків (серед них 22, що займають 25 повних стор. та 34, що займають частково 28 стор.) та 27 таблиць (серед них 4, що займають 4 повні стор. та 23, що займають частково 22 стор.), список використаних джерел із 110 найменувань на 10 стор., а також додаток на 2 стор.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі розглянута актуальність теми дисертації, мета і задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі на підставі літературного аналізу показано, що графітизовані сталі за складом, структурою та властивостями займають проміжне положення між графітизованими чавунами та вуглецевими і низьколегованими сталями, унаслідок чого мають переваги сталей (міцність, пластичність, в'язкість руйнування та ін.) і чавунів (підвищені ливарні і теплофізичні властивості, високі теплопровідність і здатність до демпфування, задовільна зносостійкість в умовах сухого тертя та ін.).

У зв'язку з цим графітизовані сталі можуть бути перспективним матеріалом, який дозволяє замінювати чавун, вуглецеві та леговані сталі та який дає можливість підвищити ресурс роботи деталей, що працюють в умовах статичних, динамічних та циклічних навантажень.

З урахуванням того, що графітизовані сталі мають низьку собівартість, високі технологічні властивості, а також здатність до широкої зміни властивостей унаслідок легування та термічного оброблення, ця заміна буде технічно й економічно виправданою.

Розглянуто методи підвищення конструктивної міцності графітизованих залізовуглецевих сплавів.

Відзначається, що конструктивна міцність є характеристикою матеріалу, що інтегрує в собі критерії матеріалоємності (0,2), надійності (К1С, КС) і довговічності (витривалість при циклічних знакозмінних навантаженнях, зносостійкість, термостійкість і т. д.).

Показано, що основними факторами, які впливають на конструктивну міцність графітизованих сплавів є кількість, розподіл і форма графітових включень, а також стан металевої матриці.

Таким чином, найперспективнішими шляхами підвищення конструктивної міцності графітизованих сталей є зменшення розмірів і глобуляризація графітових включень, а також зміцнення металевої матриці шляхом легування та термічного оброблення.

В другому розділі обґрунтований вибір напрямку дослідження і викладені основні методи лабораторних і промислових випробувань.

Дослідні плавлення проводили у лабораторних умовах в індукційних печах ИСТ-60 та ИСТ-120 з основною футерівкою тигля. Як шихтові матеріали використовували чушкові ливарні чавуни (ГОСТ 4832-80), сталевий брухт (ГОСТ 2787-86), кремній КР-1 (ГОСТ 19658-81), алюміній АД1 (ГОСТ 4784-97), електротехнічну мідь, електролітичний нікель, молібден мм.-2 (ТУ 48-19-73-78), хром металевий Х97 (ГОСТ 5905-79), феромарганець ФМн75 (ГОСТ 4756-70). Застосування методу фракційного розливання дозволило виключити дію сторонніх факторів, пов'язаних зі зміною хімічного складу, температури розливання, умов кристалізації і т. п., та одержати достовірніші результати.

Контроль вмісту вуглецю здійснювався хімічним методом згідно з ГОСТ 2604.1-77 із застосуванням автоматичного аналізатора типу АН-7529. Контроль вмісту інших елементів виконувався на іскровому спектрометрі "SPECTROLAB" виробництва Німеччини, що дозволяв визначати хімічний склад сплаву по основних елементах з точністю ±0,0001 мас.%.

Термічне оброблення зразків здійснювали в електричних печах опору з автоматичним регулюванням температури.

Розподіл надлишкової мідної фази в сталях, що містили мідь, досліджували на багатоцільовому растровому електронному мікроскопі дослідницького класу фірми JEOL (Японія) JSM-6360LA у режимі кольорового мапування при прискорювальному потенціалі 25 кВ.

Мікрорельєфи зламів зразків досліджувалися на растровому електронному мікроскопі "JSMT 300" фірми JEOL (Японія) при прискорювальному потенціалі 20-25 кВ і діаметрі електронного зонду 100 нм. Механічні випробування проводили відповідно до ГОСТ 1497-84 на розривній машині УРМ-5 з максимальним зусиллям 50 кН на зразках з робочим діаметром 5 мм. і довжиною 25 мм.

Вимірювання твердості проводили за методом Брінелля (ГОСТ 9012-59). Критичні коефіцієнти інтенсивності напружень К1С визначали відповідно до ГОСТ 25.506-85 на плоских прямокутних зразках з крайовою тріщиною за схемою триточкового згину на машині для статичних випробувань РМТ-10 з максимальним зусиллям 100 кН при швидкості переміщення елемента, що навантажував (ножа), 8-10^-5 м/с.

Критерії циклічної тріщиностійкості визначали на дискових зразках з крайовою тріщиною (базовий розмір W = 64 мм., товщина t = 6-8 мм.) при частоті циклічного навантаження 10-15 Гц і коефіцієнті асиметрії R = 0,05 у середовищі лабораторного повітря. Довжину втомної тріщини вимірювали катетометром КМ-6 з 25-кратним збільшенням.

Третій розділ присвячений оптимізації складу графітизованої сталі. Згідно з літературними даними, основними елементами, що входять до складу графітизованих сталей, є вуглець (0,14-1,65%), кремній (0,75-2,50%), марганець (0,2-0,5%) і, в окремих випадках, мідь та титан. Згідно з літературним аналізом вплив легування на властивості графітизованих сталей вивчено недостатньо. У зв'язку з цим аналізували вплив кремнію, алюмінію і міді на структуру, механічні й службові властивості та теплопровідність графітизованих сталей складу: 1,55-1,65%С, 0,18-0,22%Mn, 0,03-0,07%Cr, 0,025-0,030%S та 0,032-0,04%P. З цією метою в роботі був реалізований повний факторний експеримент 2, що містив у собі вісім основних дослідів й дослід на нульовому рівні.

Металографічний аналіз отриманих сплавів у литому стані показав різнорідність мікроструктур у залежності від хімічного складу і, головним чином, від вмісту кремнію. Так, у сталях з низьким вмістом кремнію у литому стані спостерігалася структура, типова для заевтектоїдних сталей, яка представлена фазами перліту і вторинного цементиту. У сталях з підвищеним рівнем кремнію (2,49-2,57%) структура була представлена перлітом із пластинчастим графітом у феритній облямівці.

Після графітизуючого відпалювання сталі мали перліто-феритну структуру металевої основи і, у залежності від хімічного складу, компактну, пластівчасту й пластинчасту форму графіту.

При вмісті кремнію 0,96-1,11% сталь мала перліто-феритну структуру металевої основи і пластівчастий графіт відпалу, на відміну від феритної структури і пластинчастого графіту при 2,49-2,57% кремнію. Тут кремній як сильний графитизатор сприяв виділенню вуглецю у вигляді включень графіту пластинчастої форми в процесі кристалізації.

Результати експериментів показали, що оптимізувати форму і розташування графітної фази можна легуванням міддю й алюмінієм. Так, збільшення присадки міді до 1,5% привело до утворення компактних включень графіту, при цьому їхня кількість на одиницю площі знижувалася. Більш ефективно діяв алюміній: при збільшенні його присадки до 0,25% відбулося зниження параметра форми графітових включень з 2,2 до 1,4. При цьому в структурі утворювалися практично глобулярні графітові включення, достатньо однорідні за розмірами. Графітові включення, при вмісті варійованих елементів на нульовому рівні матриці планування експерименту (1,74%Sі, 0,97%Cu і 0,153%Al), мали переважно компактну форму, при цьому дрібні глобулі групувалися окремими, досить великими групами та розташовувалися у вигляді ланцюжків. У результаті аналізу механізму руйнування було встановлено, що зародження і розвиток мікротріщин у сталі з пластинчастим графітом відбувалося цілком по включеннях графіту. Для сталі з пластівчастим графітом у початковий момент навантаження характерна незначна пластична деформація металевої матриці. Локальне відносне видовження між реперними точками, що розташовані через 0,5 мм. одна від одної, до моменту розриву досягло 8,5%, у той час загальне видовження зразка склало близько 4%. Значна локальна деформація характерна для низькокремністої сталі з глобулярним графітом: у момент руйнування вона перевищувала 16%, при загальній деформації 8%.

Про роль графіту в зародженні і поширенні мікротріщин судили за величиною коефіцієнтів зв'язку мікротріщин із включеннями КN, КL (відповідно відносна кількість та відносна сумарна довжина мікротріщин, що проходили через графітові включення), і коефіцієнта участі включень у процесах тріщиноутворення КГ (відносна кількість графітових включень, що спричинили утворення мікротріщин). Отримані результати показали, що участь графітної фази в процесах тріщиноутворення й руйнування сталей знижується зі зміною форми графітових включень у напрямку від пластинчастої до пластівчастої і глобулярної, що погоджується з відомими даними для графітизованих чавунів, але, внаслідок меншої кількості графітної фази в структурі, графітизовані сталі перевищують чавуни за пластичністю в середньому у два рази.

В результаті аналізу мікромеханізму руйнування сталей при випробуваннях на малоциклову витривалість встановлено, що при циклічному навантаженні мають місце аналогічні закономірності, що й при статичному: найбільшою мірою процесам тріщиноутворення сприяли включення графіту пластинчастої і некомпактної пластівчастої форми, які були ініціаторами зародження мікротріщин. Швидкість зародження і росту мікротріщин в області глобулярних включень значно відставала від швидкості зародження і росту мікротріщин в області включень пластівчастої і пластинчастої форми, що обумовило вищу довговічність сталей із глобулярним графітом.

Четвертий розділ присвячений вивченню можливості підвищення якості графітизованих сталей внаслідок легування та термічного оброблення. Як легуючі елементи були обрані марганець та хром як найдешевші й доступніші елементи, що впливають на процеси графітизації і підвищують показники міцності, нікель та молібден - як елементи, що впливають на будову перлітної фази й забезпечують підвищення міцності, пластичності та в'язкості руйнування сталей, а також мідь, яка може впливати на форму та розміри графітових включень, забезпечувати твердорозчинне й дисперсійне зміцнення металевої основи та підвищувати теплопровідність й термостійкість чавунів. В сталях варіантів 5 та 6 підвищений вміст Mn та Cr призвів до значного окрихчення металевої матриці і зниженню рівня тріщиностійкості. Про це свідчила наявність на поверхні зламів мікрорельєфу межкристалітного відколу з низькою енергоємністю руйнування. В результаті сфероідизуючого відпалювання металева матриця сталей практично повністю була представлена зернистим перлітом. Застосування даного термічного оброблення дозволило збільшити відносне видовження до 8,3% для сталі вихідного складу, та в'язкість руйнування К1С до 40,6 МП для сталі. Фрактографічний аналіз зламів зразків після визначення К1С показав, що руйнування відбувалося переважно за механізмом внутризеренного відриву зі значною пластичною деформацією перед фронтом росту тріщини. Для сталі 3-го варіанта характерна наявність зони витягування. Аналіз циклічної тріщиностійкості показав, що Кfc значною мірою залежав від хімічного складу сталей. Легування 0,3%Cr привело до підвищення зазначеного параметра з 38 до 50. При комплексному легуванні 0,3% хрому та 1,2% нікелю Кfc підвищився до 58. Переважним механізмом руйнування цих сталей був мікрозкол. У сталях 1-го-3-го варіантів на фоні ділянок відколу були виявлені деформаційні гребені.

ВИСНОВКИ

1. Механічні та службові властивості графітизованих сталей, що становлять залізовуглецеві сплави з наявністю у структурі включень графіту, вивчені недостатньо, відсутні державні стандарти та технічні умови на їх виробництво, що обмежує застосування цього матеріалу в машинобудуванні;

2. Результати дослідження показали, що в залежності від вмісту кремнію кристалізація заевтектоїдних графітизованих сталей може відбуватися за метастабільною або стабільною схемами, що призводить до одержання компактного (після відпалювання) або пластинчастого графіту, а також його проміжних форм і відповідно до зміни показників міцності, відносного видовження, опору втомному руйнуванню, коефіцієнта інтенсивності напружень і теплопровідності у широких межах. Аналіз мікромеханізму тріщиноутворення показав, що головним фактором, що визначає опір графітизованої сталі руйнуванню при статичному та циклічному навантаженні є форма графітових включень і що по показниках, які визначають інтенсивність тріщиноутворення, вони перевершують високоміцні чавуни; промисловий сталь матеріалоємність

3. Встановлено, що збільшення вмісту міді до 1,57-2,27%, унаслідок твердорозчинного та дисперсійного зміцнення, призвело до підвищення границі міцності на 55-80%, границі плинності 0,2 на 50-90%, коефіцієнта інтенсивності напруг К1С на 70% та критичного коефіцієнта циклічної тріщиностійкості Кfc на 30-50%, теплопровідності на 27% та термостійкості на 45%, а також до зниження відносного видовження на 30%. Отримані результати були підставою для запропонування складу термостійкої сталі 150СД2Л: 1,4-1,6%C, 0,2-0,3%Mn, 0,9-1,1%Sі, 1,75-2,25%Cu, 0,20-0,25%Al;

4. Вперше отримано кінетичні діаграми втомного руйнування графітизованих сталей, які показали, що за опором руйнуванню при циклічному навантаженні вони у середньому у 1,5 рази перевищують високоміцні чавуни феррито-перлитного й перлітного класів;

5. Результати досліджень дозволили рекомендувати для промислового впровадження сталі: 150СДЛ - для деталей загального призначення, 150СД2Л - для деталей, що працюють в умовах термоциклічного навантаження, 150ХГСНЛ - для відповідальних деталей, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень. Проведено дослідно-промислові випробування виливниць для розливання алюмінієвих та мідних сплавів, виготовлених зі сталі 150СД2Л. Отримане збільшення стійкості виливниць на 20% по відношенню до стійкості виливниць з високоміцного чавуну. Очікуваний економічний ефект за рахунок економії металу складає 58110 грн.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ

1. Осташ О.П., Волчок І.П., Андрейко І.М., Акімов І.В., Головатюк Ю.В. Міцність та циклічна тріщиностійкість графітизованих сталей // Фізико-хімічна механіка матеріалів, 2002. - №6. - С. 7-12.

2. Акимов И.В., Андрейко И.М. Малоцикловая выносливость графитизированных сталей с различной формой графитовых включений // Нові матеріали в металургії та машинобудуванні, 2003. - №1. - С. 38-40.

3. Акімов І.В., Савченко В.О. Вплив міді на термостійкість графітизованих сталей // Машинознавство, 2004. - №1. - С. 49-50.

4. Акимов И.В., Андрейко И.М. Влияние легирования на свойства графитизированных сталей // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць НТУ “ХПІ”. - Харків: Курсор, 2002. - Вип. 1(5). - С. 17-24.

Размещено на Allbest.ru