Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК: 669.14.017: 539.43

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ТЕРМОСТІЙКОСТІ ГРАФІТИЗОВАНОЇ СТАЛІ ДЛЯ ВИЛИВНИЦЬ ВІДЦЕНТРОВОГО ЛИТТЯ

05.02.01 - Матеріалознавство

Яковлєв Олексій Юрійович

Запоріжжя - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Волчок Іван Петрович, Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри «Технологія металів».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Санін Анатолій Федорович Дніпропетровський національний університет, професор кафедри «Технологія виробництва», м. Дніпропетровськ;

доктор технічних наук, професор Слинько Георгій Іванович Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри «Теплотехніка і гідравліка», м. Запоріжжя.

Захист відбудеться 30.09.2008 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розіслано 28.08.2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Ю.М. Внуков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема зниження матеріалоємності, підвищення надійності та довговічності деталей механізмів, машин та обладнання була та залишається актуальним завданням вітчизняного машинобудування. Значною мірою це відноситься до деталей та механізмів, що працюють в умовах термоциклічних та механічних навантажень: металургійні виливниці, кокілі, прес-форми, склоформи та ін. вироби, що мають загальну назву «металеві форми». Специфічною особливістю роботи металевих форм є циклічні нагрівання та охолодження, які викликають формування в них градієнта температур і виникнення значних термічних напружень, окислювання, зневуглюцьовування, ерозію і деформацію робочих поверхонь, а також утворення на них сітки розпалу та термовтомних тріщин.

Головними матеріалами для виготовлення металевих форм є сірі чавуни і чавуни з кулястим графітом, рідше - низьковуглецеві сталі. Перевагами чавунів, завдяки включенням графіту, є висока теплопровідність, низька чутливість до концентраторів напружень, а також невисока собівартість; головними недоліками - низькі показники міцності та пластичності, що обмежує строки експлуатації металевих форм внаслідок утворення сітки розпалу та тріщин. Низьковуглецеві сталі менш схильні до утворення поверхневих дефектів і тріщин, але виготовлені з них форми виходять із ладу внаслідок деформації (жолоблення), зумовленої недостатньою теплопровідністю та високими значеннями модуля нормальної пружності. сталь сплав термостійкий графітизований

У зв'язку з цим, створення термостійкого матеріалу для виготовлення металевих форм, який би поєднував в собі переваги чавунів із кулястим графітом і низьковуглецевих сталей є актуальною задачею. Найбільш перспективними в цьому плані є графітизовані сталі, в яких частина вуглецю знаходиться у вигляді графітових включень. Внаслідок цього вони, як буде показано нижче, перевершують за теплопровідністю й опором жолобленню низьковуглецеві сталі, а за механічними властивостями і термостійкістю - чавуни з кулястим графітом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Головні етапи роботи виконувалися відповідно до планів науково-дослідних робіт ЗНТУ за темами: ГБ 01316 «Структура та опір руйнуванню залізовуглецевих та алюмінієвих сплавів», 2006…2009, № державної реєстрації 0106U008617; ДБ 01317 «Дослідження процесів кристалізації та структуроутворення графітизованих сталей», 2006…2009, № державної реєстрації 0107U000439, ГД1317 «Дослідження і розробка технології виробництва чавуну та графітизованих сталей», 2007, № державної реєстрації 0107U003902.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала в розробці складу термостійкої графітизованої сталі, яка б перевершувала за головними експлуатаційними характеристиками (механічні властивості при високих температурах, термостійкість, витривалість, опір окалиноутворюванню й ін.) аналогічні властивості чавунів із кулястим графітом та графітизованих сталей відомих марок.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

1. Зареєструвати зміни температурних полів у процесі охолодження й кристалізації виливка в стінках виливниць, виготовлених із чавуну з кулястим графітом та графітизованої сталі і призначених для відцентрового лиття бронзових втулок діаметром до 340 мм та довжиною до 600 мм.

2. Із застосуванням наближених моделей теорії теплопровідності й термопружньопластичності визначити зміни в часі термічних напружень у стінках виливниць, порівняти величину термічних напружень з величинами границь текучості при розтягуванні та стисканні чавуну із кулястим графітом та графітизованої сталі.

3. Із застосуванням методів математичного планування експерименту одержати регресійні залежності, що описують вплив вуглецю, кремнію та міді на механічні властивості, параметр теплових напружень, критерій стійкості при термоциклічному навантаженні, теплопровідність і термостійкість графітизованої сталі; оптимізувати її склад за вмістом зазначених елементів.

4. Дослідити вплив легування на структуру, механічні властивості, теплопровідність, окалиностійкість і термостійкість сталі з метою виявлення можливості подальшого підвищення експлуатаційних характеристик; розробити оптимальний склад термостійкої графітизованої сталі.

5. Провести дослідно-промислове випробування розробленої сталі.

Об'єктом досліджень були заевтектоїдні графітизовані сталі.

Предметом досліджень були структура, механізми руйнування при кімнатній і високій температурах, теплофізичні, механічні та експлуатаційні властивості графітизованих сталей.

Методи дослідження. Із застосуванням методів термометрирування, теорії теплопровідності та термопружньопластичності аналізували напружений стан виливниць у процесі експлуатації, розраховували значення розтягуючих та стискаючих термічних напружень.

Із застосуванням стандартних та спеціальних методів досліджень вивчали структуру, механізми руйнування, механічні властивості, термостійкість і теплопровідність сталей.

З використанням методів регресійної обробки експериментальних даних будували математичні залежності властивостей графітизованих сталей від вмісту вуглецю, кремнію та міді.

Наукова новизна отриманих результатів. Із застосуванням наближених моделей теорії теплопровідності та термопружньопластичності отримано залежності, які описують зміни в часі по товщині стінок виливниці температури та величини ефективних (сумарних) термічних напружень; вперше показано, що на робочих поверхнях виливниці ефективні напруження перевищують границю текучості, тобто матеріал працює в умовах високотемпературної малоциклової витривалості.

Отримано рівняння регресії, які описують вплив хімічного складу на теплофізичні, механічні і експлуатаційні властивості графітизованих сталей і дозволяють оптимізувати їх склади з урахуванням конкретних умов експлуатації.

Вперше встановлені залежності параметра теплових напружень, критерія стійкості при термоциклічному навантаженні, термоциклічної витривалості, термостійкості й окалиностійкості від хімічного складу й механічних властивостей графітизованих сталей.

Встановлені закономірності структуроутворення й високотемпературного руйнування графітизованих сталей із зростаючими присадками міді, а також сталей легованих марганцем, хромом, нікелем, молібденом і титаном.

Практична цінність отриманих результатів. На підставі отриманих результатів розроблено два склади графітизованої сталі, які володіють високими термостійкістю та механічними властивостями і які перевершують за цими показниками чавун з кулястим графітом та відому графітизовані сталь ЭИ366 (130СЛ). Відповідно до результатів промислової апробації, розроблена графітизована сталь 130СДТЛ забезпечила підвищення стійкості металевих форм в 1,4...1,6 рази у порівнянні із стійкістю форм, що вироблені із чавуна з кулястим графітом.

Особистий внесок здобувача:

Головні результати, що визначають сутність дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачем:

1. Вивчено умови роботи металевих форм, матеріали що застосовуються для їх виготовлення, показана перспективність застосування для них графітизованої сталі [4, 6].

2. Запропоновано схему виміру температурних полів у виливницях для відцентрового лиття, виконано розрахунок термічних напружень у стінках виливниці [1].

3. Обґрунтовано необхідність високотемпературних випробувань (міцність, пластичність, витривалість, окалиностійкість, термостійкість) матеріалів для металевих форм [3, 5].

4. Виконано дослідження з оптимізації складу графітизованої сталі [2], встановлені механізми впливу легуючих елементів (марганцю, хрому, нікелю, молібдену, міді та титану) на структуру, механічні та службові властивості сталі при кімнатній та високій температурах [3, 6, 7].

5. Запропоновано два склади графітизованих сталей, проведені дослідно-промислові випробування виготовлених із сталі 130СДТЛ металевих форм, показано техніко-економічну доцільність її застосування [4].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на ІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні наукові дослідження - 2006», Дніпропетровськ, 2006; XІ Міжнародній науково-технічній конференції «Неметалеві вкраплення та гази в ливарних сплавах», Запоріжжя, 2006; Міжнародній науково-технічній конференції «Стародубовські читання», Дніпропетровськ, 2007; 8-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків, Львів, 2007; Міжнародній науково-технічній конференції «Наука та технологія», Краків - Шице, Польща, 2007; Міжнародній науково-технічній конференції «Металлургия и литейное производство 2007. Беларусь», Жлобин, 2007.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 7 друкованих праць, з них: 5 у спеціалізованих наукових журналах і 2 у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, наведені мета та завдання досліджень, визначені наукова новизна та практичне значення виконаної роботи.

У першому розділі, ґрунтуючись на результатах проведеного літературного аналізу, показано, що металеві форми працюють в умовах циклічних нагрівань та охолоджень, які призводять до перепаду температур і виникненню термічних напружень, що сягають границь витривалості та текучості матеріалу форм. При цьому головними причинами виходу з ладу металевих форм є: наскрізні та термовтомні тріщини, сітка розпалу, зневуглюцьовування та окислювання робочих поверхонь, зміна геометричних розмірів внаслідок росту та жолоблення.

У розділі розглянуті склади та властивості графітизованих сталей і чавунів, які застосовуються для виготовлення металевих форм, а також методи підвищення їх стійкості при експлуатації. Показано, що термостійкість матеріалу підвищується із збільшенням теплопровідності, міцності та пластичності, а також із зменшенням коефіцієнта термічного розширення і модуля пружності E. При цьому звертається увага на те, що графітизовані сталі, з погляду на їх низьку собівартість і відносно високі технологічні та механічні властивості, можуть бути перспективним матеріалом для виготовлення металевих форм.

На підставі проведеного аналізу в розділі сформульовано мету і задачі дослідження.

У другому розділі обґрунтовано вибір засобів і методів досліджень. Описані як стандартні, так і спеціальні методи.

Досліджувані сплави виплавляли в індукційних печах ИСТ-60 та ИСТ-120 з лужною футеровкою тигля. У якості шихтових матеріалів використовували чушкові ливарні чавуни (ГОСТ 4832-80), сталевий лом (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 фракційного розливання при виплавці сплавів дозволило виключити вплив хімічного складу сплавів, температури розливання та факторів пов'язаних зі зміною умов кристалізації і т.п.

Графітизуючий відпал досліджуваних сплавів здійснювали в електричних печах опору з автоматичним регулюванням температури.

Контроль хімічного складу виконувався на іскровому спектрометрі "SPECTROLAB" виробництва Німеччини з точністю 0,0001 мас. %.

Контроль макро- і мікроструктури сплавів виконували на оптичних мікроскопах МИМ-7, МИМ-8 і ММР-2Р. Дослідження тонкої структури сплавів проводили на растровому мікроскопі, що обладнаний рентгенівським енергодисперсійним мікроаналізатором "Суперпроб-733" фірми "Джеол" (Японія) у середовищі вторинних електронів при прискорювальній напрузі електричного поля 20 кВ і струмі зонда 210^-8А.

Границю міцності при розтяганні, відносне видовження та модуль пружності визначали на циліндричних п'ятикратних зразках діаметром 5 мм із розрахунковою довжиною 25мм за ГОСТ 1497-73 на випробувальній розривній машині УМЭ-10ТМ.

Випробування на розрив та стиск при температурах від 20 до 800С проводили на машині ТМС-20 відповідно на зразках 5 з розрахунковою довжиною 25 мм і на зразках 10 з розрахунковою довжиною 10 мм.

Твердість визначили на приладі Бринелля відповідно до ГОСТ 9012-59.

Високотемпературну малоциклову витривалість N_t у складнонапруженому стані в умовах підвищених температур досліджували на установці ЛО2-727-00-00-СБ конструкції державного підприємства "Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро "Івченко-Прогрес". Випробування здійснювалися при температурі 750 та при циклічнозмінному згинаючому (_зг=4 МПа) і розтягуючих напруженнях (_ст= 25; 30; 35; 40 та 45 МПа). При цьому критерієм витривалості служила кількість циклів N_t, що витримував зразок до появи на робочій частині макротріщин, або до його руйнування.

Теплопровідність сталей та чавунів вимірювали на приладі ИТЭМ-1М.

Термостійкість N визначали на різнотовщинному циліндричному зразку (патент України 53976А) за числом циклів: нагрівання до 900С - охолодження у воді, які витримував зразок до руйнування.

Окалиностійкість сплавів досліджували на спеціальній газодинамічній установці для термоциклічних випробувань ИТ 65.015.2003 ДП ЗМКБ «Івченко-Прогрес» в потоці полум'я згоряння пальної суміші пропану та кисню на плоских полірованих зразках розмірами 50Ч10Ч2 мм. Критерієм окалиностійкості служила різниця мас зразків до та після випробувань.

У якості показників термостійкості використовували: параметр теплових напружень

К= , Вт/м,

і критерій стійкості при термоциклічному навантаженні

С=, Вт/м,

де - теплопровідність, Вт/(мС); _В - границя міцності при розтяганні, МПа; - відносне видовження, частки одиниці; - коефіцієнт термічного розширення, 1/С; Е - модуль пружності, МПа.

Термометрирування здійснювали на виливниці довжиною 626 мм, із зовнішнім і внутрішнім діаметрами 350 та 268 мм відповідно. Маса виливниці становила 190 кг, маса виливка 165 кг. У зв'язку із складністю вимірювання температур у стінці відцентрової виливниці під час її обертання застосували стаціонарний метод вимірювання, при якому всередині вертикально розташованої виливниці встановлювалась сталева труба діаметром 180 мм (товщина стінки труби становила 1,6 мм). Циліндричну порожнину між внутрішньою стінкою виливниці та сталевою трубою заповнювали рідкою бронзою та регістрували зміни температури в часі на внутрішній і зовнішній поверхнях виливниці та в середині її стінки. Отримані дані термометрирування використали для розрахунку величини термічних напружень за допомогою наближених аналітичних моделей теорії теплопровідності та термопружньопластичності.

Експериментальні дані, які отримані шляхом реалізації трифакторного плану експериментів другого порядку 2³, обробляли з використанням регресійного аналізу. Отримані математичні моделі представлялися у вигляді рівнянь регресій та графіків.

Третій розділ присвячений аналізу умов роботи металургійних виливниць, їх термометрируванню і, на підставі отриманих даних, розрахунку змін у часі температурних напружень у робочих перетинах металевих форм.

Аналіз умов роботи виливниць із різних матеріалів показав, що виливниці, які виготовлені із сталі 20, виходили з ладу внаслідок жолоблення у зв'язку з недостатньою теплопровідністю конструкційного матеріалу, а виливниці, що із чавуну з кулястим графітом - через ерозію робочих поверхонь і термовтомні тріщини у зв'язку з недостатнім рівнем міцності та пластичності. Показано, що термовтомні тріщини у чавуні поширювалися, головним чином, по включеннях графіту, при цьому глобулярні включення у меншому ступені сприяли їх зародженню та розвитку, чим включення витягнутої форми.

В цілому, довговічність сталевих виливниць становила 28030 заливань, чавунних - приблизно в 1,5 рази більше. У зв'язку з тим, що інтенсивність руйнування робочих поверхонь чавунних виливниць визначалася, головним чином, кількістю та формою графітових включень, основним напрямком підвищення їх довговічності може бути зниження вмісту вуглецю та глобуляризація включень графіту.

У процесі термометрирування виливниць було встановлено, що максимальні температури (85010С) на внутрішній робочій поверхні досягалися за 10...12 с після заливання, на зовнішній поверхні - 65010С за 20…25 с. Максимальний перепад температур у стінках виливниць - близько 400С мав місце за 5...6 с після заливання. Результати термометрирування також показали, що температурні поля у виливницях, які виготовлені із чавуну з кулястим графітом та графітизованої сталі, мало відрізнялися один від одного, що пояснюється близькими значеннями теплопровідності цих матеріалів (35 і 32 Вт/мС відповідно).

При цьому максимальні за модулем значення еквівалентних (сумарних) напружень виникали на утворюючих виливницю циліндричних поверхнях: на внутрішній поверхні _е^с - негативні, або напруження стиску; на зовнішній поверхні _е^р - позитивні, або напруження розтягу; радіальні напруження на цих поверхнях _r0.

Встановлено, що явище "теплового удару" мало місце для внутрішніх поверхонь виливниць за 5 с, для зовнішніх - за 7...12 с після заливання металу. Відповідно до результатів розрахунків максимальні ефективні напруження стиску _е^с (внутрішня робоча поверхня) досягали 644 МПа для чавуну та 557 МПа для сталі, максимальні напруження розтягнення _е^р (зовнішня поверхня), відповідно 624 та 670 МПа.

При цьому стискаючі напруження на робочій поверхні виливниць перевершували границю текучості на стиск _т^с чавуну в 6,7 рази, границю текучості на стиск сталі - в 3,4 рази (величина j при температурі робочої поверхні 760...765С). Співвідношення j=_е^р/_т^р на зовнішній поверхні склало 2,4 для чавуну та 1,5 для сталі (температура 390...415С). У цілому результати випробуваннь та розрахунків показали, що матеріал виливниці працює в умовах високотемпературної малоциклової витривалості та що на робочих поверхнях величина j графітизованої сталі в 1,75 рази менше j чавуну.

Четвертий розділ присвячено розробці складу термостійкої економнолегованої графітизованої сталі. Із цією метою в роботі було реалізовано трифакторний план експериментів другого порядку 2³ (табл.1).

Таблиця 1

Варіювання складу сталі при реалізації композиційного уніформпланування другого порядку

Інтервали варіювання та рівні факторів	Фактори, що вивчаються
	Х1 (C, %)	Х 2 (Si, %)	Х3 (Cu, %)
Нульовий рівень: Х = 0	1,2	1,5	1,0
Інтервал варіювання	1,0	0,3	0,5	0,4
	1,682	0,5	0,84	0,67
Нижній рівень: Х = - 1,0	0,9	1,0	0,6
Верхній рівень: Х = + 1,0	1,5	2,0	1,4
Зіркові точки	Х = - 1,682	0,7	0,66	0,33
	Х = + 1,682	1,7	2,34	1,67

У якості незалежних змінних були прийняті вміст вуглецю (0,7...1,7%), як елемента, що визначає кількість графітної фази та який впливає на рівень теплофізичних, механічних і службових властивостей сталі; кремнію (0,66...2,34%), як елемента, що впливає на кількість і форму графітових включень, а також на механічні властивості; і міді (0,33...1,67%), як елемента, що підвищує міцність і теплопровідність сталі, а, отже, і довговічність металевих форм. У якості залежних змінних були прийняті: межа міцності при розтяганні _В, відносне видовження , теплопровідність , термостійкість N, критерій стійкості при термоциклічному навантаженні С і параметр теплових напружень К.

Металографічний аналіз відпалених на перліт+графіт сталей показав, що легування істотно не вплинуло на морфологію перліту. У той же час при збільшенні в сталі вмісту вуглецю зростали кількість і розміри графітових включень. При цьому незалежно від ступеня легування включення графіту мали компактну, близьку до кулястої форму.

В результаті регресійного аналізу було отримано рівняння, які є залежностями властивостей сталі від вмісту в ній вуглецю, кремнію та міді:

;

;

;

;

;

.

Для визначення за допомогою отриманих рівнянь хімічного складу, який забезпечував би оптимальне сполучення властивостей графітизованої сталі, використали графоаналітичний метод. При цьому вміст одного з елементів задавався сталим і відповідав нульовому рівню (Х = 0), вміст другого елемента відповідав трьом значенням (нижній, нульовий і верхній рівні за табл.1), вміст третього елемента монотонно змінювався в межах проведених досліджень.

Було встановлено, що із збільшенням вмісту вуглецю від 0,7 до 1,7% знижувалися границя міцності, відносне видовження, термостійкість N і підвищувалася теплопровідність сталі. Найбільш сприятливе сполучення механічних і службових властивостей було отримано при 1,2...1,4%С.

Із збільшенням вмісту кремнію знижувалися термостійкість, критерій термостійкості С и параметр теплових напружень К, що пояснюється зниженням границі міцності, відносного видовження та теплопровідності - показників, від яких залежать величини N, С и К. Залежність _в = f(Si) характеризувалася максимумом при вмісті кремнію 1,1...1,5%. У зв'язку з цим ця концентрація кремнію була прийнята оптимальною та враховувалась у наступних дослідних плавленнях.

Із збільшенням в сталі вмісту міді підвищувалась границя міцності з максимумом при Cu=1,7%. При підвищенні концентрації міді приблизно до 1,2% знижувалось відносне видовження. При більш високих концентраціях міді неістотно підвищувалась пластичність, імовірно, внаслідок появи феритної складової (5...20% фериту). Теплопровідність неістотно знижувалася із підвищенням вмісту міді в сталі до 0,6...0,7%, тобто до межі її розчинності, а потім підвищувалась, можливо, внаслідок утворення мідистих фаз на поверхнях поділу метал-графіт.

Враховуючи те, що основним показником якості виробів, що працюють при термоциклічних навантаженнях, є термостійкість матеріалу, із якого вони виготовлені, були побудовані графічні залежності термостійкості N від межі міцності _в, відносного видовження , теплопровідності , параметра теплових напружень К, критерію стійкості при термоциклічному навантаженні С и добутку _в, - як величини, що прямо пропорційна роботі, яку затрачено на руйнування зразка при його випробуваннях на розтяг. Подальша статистична обробка отриманих графіків показала наявність прямолінійних залежностей із різними рівнями кореляції між термостійкістю N і властивостями сталі (табл. 2).

Таблиця 2

Результати статистичної обробки

Залежність	Регресійне рівняння	Коефіцієнт кореляції r
N = f (в)	N = -33,14 + 0,1в	0,82
N = f ()	N = -0,31 + 2,93	0,92
N = f (в)	N = 2,59 + 0,45(в)	0,97
N = f ()	N = -37,5 + 1,77	0,53
N = f (К)	N = -17,17 + 0,045К	0,63
N = f (С)	N = 2,53 + 0,28С	0,98

Наявність високої кореляції (r = 0,82...0,98) між термостійкістю N і границею міцності, відносним видовженням, добутком _в і критерієм С свідчить про те, що міцність і пластичність є головними критеріями, які визначають опір матеріалу руйнуванню при термоциклічних навантаженнях.

Наступний етап роботи полягав у вивченні впливу міді на механічні та службові властивості графітизованої сталі складу: 1,24%С; 1,41%Sі; 0,46%Mn; 0,028%S; 0,022%P.

Металографічний аналіз відпалених сталей показав, що структурою металевої основи вихідної сталі був пластинчастий перліт. Із збільшення вмісту міді від 0,02 до 3,08% зростала кількість фериту приблизно до 25%, переважно у вигляді виділень навколо включень графіту; середній розмір графітових включень збільшувався в 3 рази, параметр їхньої форми зростав з 1,6 до 6,9 , кількість кулястого графіту знижувалась з 95...100 до 20% при відповідному збільшенні кількості вермікулярного графіту. Біля графітових і оксисульфідних включень виявлені фази із значним вмістом міді

Результати точкового мікрорентгеноспектрального аналізу металевої матриці сталі і мідистої частинки, виявленої на поверхні розділу метал - графіт, показали вміст міді у твердому розчині 0,86%; вміст міді в -фазі близько 15%. Таким чином, проведені дослідження підтвердили літературні дані про здатність міді утворювати на поверхнях поділу метал - включення мідисту фазу, яка підвищує теплопровідність металу.

Збільшення вмісту міді в досліджуваних межах привело до росту параметра форми графіту _га, а також до твердорозчинного зміцнення. У зв'язку з цим, відносне видовження сталі знизилося в 2,4 рази, тимчасовий опір розриванню підвищився на 45% (при 1,16%Cu), термостійкість N на 35...40% при 1,16...1,82%Cu. Зниження показників _в і N при більш високих концентраціях міді пояснюється трансформацією кулястого графіту у вермікулярний.

При вмісті міді 0,58% мало місце деяке зниження теплопровідності , імовірно, внаслідок спотворення кристалічних комірок при твердорозчинному зміцненні, яке ускладнює переміщення електронів провідності. При більш високих концентраціях відбувалося підвищення теплопровідності, завдяки виділенням дрібнодисперсних мідистих фаз на поверхнях поділу метал-включення і збільшенню параметра форми графітових включень.

Зниження швидкості окислювання сталі (приросту маси зразка Р) приблизно на 40% мало місце при збільшенні вмісту міді до 1,82%. Подальше легування міддю призвело до зростання Р в результаті зміни форми графіту з кулястої на вермікулярну та збільшення внаслідок цього поверхонь розподілу, по яких процеси окислювання проникали вглиб металу.

Максимальною високотемпературною витривалістю N_t володіла сталь, що містила від 1,16 до 1,82%Cu. При всіх значеннях _ст легування міддю в зазначених межах приводило до зростання високотемпературної витривалості у 2,5...5 разів. Металографічний аналіз показав, що зародження мікротріщин відбувалося переважно біля графітових включень, при цьому зі збільшенням параметра їх форми процеси зародження та поширення мікротріщин підсилювалися, що призводило до зниження N_t при вмісті міді більше 1,82%.

Отже, отримані результати показали, що сталь складу 1,2...1,4%С; 1,4...1,6%Sі і 1,1...1,5%Cu має досить високий рівень механічних та службових властивостей, необхідних для забезпечення успішної роботи металевих форм. Метою наступних досліджень була спроба покращити механічні властивості та термостійкість сталі вказаного складу шляхом економного легування марганцем, хромом, міддю, нікелем, молібденом та титаном (табл. 3).

В результаті металографічного аналізу у вихідній сталі були виявлені включення графіту переважно компактної форми, розташовані у перлітній металевій матриці.

Збільшення в сталі вмісту марганцю з 0,38 до 0,89% (варіант 2, табл. 3) помітно не вплинуло на розміри та форму графітових включень, а також на структуру сталі, але привело до підвищення міцності та зниження пластичності.

Таблиця 3

Хімічні склади та механічні властивості сталі

Варіант сталі	Масова частка елементів, %	в, МПа	, %	НВ	N, циклів	Р, г
	C	Mn	Si	Cr	Cu	Ni	Mo	Ti
1	1,26	0,38	1,17	-	-	-	-	-	448	6,4	192	34,3	0,3339
2	1,28	0,89	1,14	-	-	-	-	-	492	5,7	197	37,0	0,2923
3	1,29	0,86	1,12	0,29	-	-	-	-	547	4,6	207	38,7	0,2242
4	1,24	0,42	1,11	-	1,56	-	-	-	642	4,0	211	48,7	0,2432
5	1,27	0,39	1,15	-	-	1,19	-	-	636	4,1	209	45,0	0,2230
6	1,26	0,40	1,13	-	-	1,24	0,28	-	659	3,8	217	49,7	0,2080
7	1,26	0,49	1,18	-	1,64	-	-	0,064	648	4,1	216	49,4	0,2210

В результаті легування хромом відбулося помітне зменшення розмірів включень графіту, імовірно, завдяки створенню додаткових центрів графітизації та підвищення дисперсності перліту. При цьому підвищувалися міцність, твердість, термостійкість N, окалиностійкість Р (див. табл. 3) і високотемпературна малоциклова витривалості N_t.

Легування міддю (див. табл. 3) привело до зменшення розмірів і підвищення ступеня глобуляризації графітної фази. Це в сполученні із твердорозчинним зміцненням забезпечило підвищення границі міцності на 43%, твердості на 8%, термостійкості N на 42%, високотемпературної витривалості N_t в 4...8 разів, а також зниження приросту маси Р на 32% і відносного видовження на 37% (див. табл. 3).

В результаті легування нікелем відбулося деяке укрупнення графітових включень і підвищення дисперсності перліту. Механічні та службові властивості сталі були приблизно такими ж як і при легуванні міддю.

Найбільш високими показниками механічних та службових властивостей володіла сталь, легована нікелем і молібденом (див. табл. 3), що можна пояснити сприятливою формою графітових включень та сфероідизацією цементиту перліту.

Приблизно такий самий рівень властивостей мала сталь, легована міддю та титаном (варіант 7, табл. 3), завдяки подрібненню графітної фази та підвищенню дисперсності пластинчастого перліту. Але, на відміну від нікелю та молібдену, що також істотно підвищують термостійкість сталі, мідь та титан мають більш низьку собівартість. Крім того, мідь забезпечує підвищення теплопровідності і, як наслідок, зниження величини термічних напружень у металевих формах, що, в свою чергу, сприяє збільшенню їх довговічності.

Результати досліджень дозволили рекомендувати для виливниць відцентрового лиття та інших металевих форм дві марки графітизованих сталей:

1) 130СДТЛ складу: 1,2...1,4%C, 1,1...1,5%Si, 1,2...1,8%Cu, 0,3…0,5%Mn, 0,05...0,07%Ti;

2) 130СНМЛ складу: 1,2...1,4%C, 1,1...1,5%Si, 1,0...1,2%Ni, 0,25…0,35%Mo, 0,3…0,5%Mn.

В умовах державного підприємства Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Івченко-Прогрес» були проведені порівняльні випробування чавуну з кулястим графітом марки ВЧ40, нелегованої графітизованої сталі ЭИ366 за ТУ 14-1-678-73 і запропонованих в даній роботі графітизованих сталей 130СДТЛ та 130СНМЛ. Із наведених у табл.4 даних видно, що за властивостями

Таблиця 4

Властивості сплавів

Сплав	0,2/в МПа, при t,С	, %	НВ	К, Вт/м, при t, С	Р, г
	20	400	600	800			20	800
ВЧ40	340 412	309 364	162 190	31,0 43,6	3,6	183	6789	706,3	0,487
ЭИ366 (130СЛ)	483 590	376 437	185 216	52,5 64,4	6,4	192	6834	1072	0,334
130СДТЛ	558 645	498 589	227 280	62,4 78,5	4,0	211	11316	1507	0,243
130СНМЛ	562 659	497 592	230 279	63,6 80,0	3,8	213	10529	1400	0,208

міцності в інтервалі температур 20...800С сталі 130СДТЛ і 130СНМЛ перевершували сталь ЭИ366 на 20...30%, а чавун з кулястим графітом - на 50...80%. Ця перевага є важливою при високих температурах (600…800С), які відповідають моменту максимальних термічних напружень в стінках металевих форм.

За величиною параметру теплових напружень при 20 та 800С сталі у 1,7…2,1 рази перевершували чавун з кулястим графітом. Обидві сталі також мали менші витрати маси при випробуваннях на окалиностійкість: в 1,4…1,6 рази у порівнянні із сталлю ЭИ366 і в 2,0…2,3 рази у порівнянні із чавуном з кулястим графітом (див. табл. 4).

Згідно з результатами випробувань на високотемпературну витривалість N_t при температурі 750С в умовах складно-напруженого стану на установці ЛО2-727-00-00-СБ довговічність стали 130СДТЛ при усіх значеннях _ст на порядок перевершувала довговічність чавуна з кулястим графітом та приблизно у 3 рази довговічність сталі ЭИ366 (табл. 5).

Таблиця 5

Високотемпературна витривалість сплавів

Сплав	Число циклів згину, млн., при ст, МПа
	25	30	35	40	45
ВЧ40	0,52	0,27	0,16	0,056	0,014
ЭИ366 (130СЛ)	2,1	1,2	0,88	0,57	0,39
130СДТЛ	6,0	3,5	2,3	1,7	1,6
130СНМЛ	6,8	4,4	3,0	2,8	1,2

Результати дослідно-промислових випробувань показали, що сталь 130СДТЛ забезпечила підвищення стійкості металевих форм (кокілів) при виробництві виливків з кольорових сплавів на основі алюмінію та міді в 1,4...1,6 рази у порівнянні із чавуном з кулястим графітом. Це, відповідно до попередніх розрахунків, дозволить одержати економічний ефект у розмірі 130 тис. грн. на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Графітизовані сталі - заевтектоїдні сплави із структурою, яка містить включення графіту, знаходять обмежене застосування у машинобудуванні, у тому числі і для деталей, які працюють при термоциклічних навантаженнях (виливниці, кокілі, прес-форми, деталі пічної арматури та ін.).

У зв'язку з цим є перспективною розробка складу графітизованої сталі, яка б перевершувала за термостійкістю чавуни з кулястим графітом, що традиційно застосовуються для виготовлення вказаних вище деталей, а також відомі марки графітизованих сталей.

2. Із застосуванням методів теорії теплопровідності і термопружньопластичності на підставі експериментальних даних про зміну температур у процесі роботи виконано розрахунок термічних напружень у стінках виливниць із чавуну з кулястим графітом та із графітизованої сталі.

Встановлено, що максимальні стискаючі напруження за 10...12 с після заливання (температура 850±10С) у 6,7 рази перевершували границю текучості чавуну при стисканні і у 3,4 рази - границю текучості сталі на внутрішній робочій поверхні виливниці.

Перевищення напруженнями розтягнення границі текучості на зовнішній поверхні склало 2,4 для чавуну і 1,5 для сталі.

Таким чином, встановлено, що причиною утворення термовтомних і термічних тріщин, а також жолоблення виливниць у процесі експлуатації є термічні напруження, які перевищують у поверхневих шарах виливниці границі текучості розтягування та стискання.

3. Із застосуванням методів математичного планування експерименту і фракційного легування вивчено вплив хімічного складу (C, Sі, Mn, Cr, Cu, Nі, Mo, Tі) на структуру, мікромеханізм руйнування, міцність, пластичність, параметр теплових напружень К, критерій термостійкості С, термостійкість N, високотемпературну витривалість N_t та окалиностійкість Р графітизованої сталі, що дало можливість оптимізувати склад сталі по вказаних критеріях.

4. Отримано регресійні залежності механічних властивостей (_в, ), теплопровідності , параметра К, критерію С и термостійкості N від хімічного складу (C, Sі, Cu) графітизованої сталі; встановлені залежності показників C, К, N, N_t та окалиностійкості Р від структури, теплопровідності і механічних властивостей, що дозволяє оптимізувати експлуатаційні властивості сталі.

5. Встановлено, що в умовах термоциклічного навантаження мікротріщини зароджувалися переважно на графітових включеннях, поширюючись від одного включення до іншого, і переростали у магістральну макротріщину.

Глобуляризація, зменшення розмірів і кількості графітових включень є ефективним методом підвищення опору графітизованої сталі термовтомному руйнуванню та високотемпературному окислюванню.

6. Уточнено механізм позитивного впливу міді на теплопровідність графітизованої сталі.

Встановлено, що фази, які містять мідь і поліпшують теплопровідність, виділяються на поверхнях поділу метал-включення в результаті повільного охолодження або старіння при температурах нижче температур евтектоїдного перетворення.

7. На підставі результатів досліджень запропоновано два склади графітизованих сталей: 130СДТЛ (1,2...1,4%C, 1,1...1,5%Si, 1,2...1,8%Cu, 0,3…0,5%Mn, 0,05...0,07%Ti) та 130СНМЛ (1,2...1,4%C, 1,1...1,5%Si, 1,0...1,2%Ni, 0,25…0,35%Mo, 0,3…0,5%Mn), які за механічними властивостями при кімнатній і високих температурах істотно перевершують чавун з кулястим графітом ВЧ40 і нелеговану графітизовану сталь 130СЛ (ЭИ366 за ТУ 14-1-678-73).

8. Результати дослідно-промислових випробувань показали, що за головними критеріями, які визначають якість металевих форм (границя міцності при температурах 20...800С, термостійкість N, високотемпературна витривалість N_t, окалиностійкість Р і параметр теплових напружень К) сталі 130СДТЛ та 130СНМЛ перевершували сталь 130СЛ і чавун з кулястим графітом ВЧ40.

Застосування сталі 130СДТЛ замість чавуну ВЧ40 для виготовлення металевих форм (кокілів) дозволило збільшити їх довговічність в 1,4...1,6 рази. Очікуваний економічний ефект на ДП ЗМКБ «Івченко-Прогрес» склав 130 тис. грн. на рік.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яковлев А.Ю., Громовой Г.П., Волчок И.П. Анализ напряженного состояния изложницы для центробежного литья медных сплавов //Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2007. - №1. - С.109-116.

2. Волчок И.П., Яковлев А.Ю. Оптимизация состава термостойкой графитизированной стали //Строительство, материаловедение, машиностроение. Сб. научн. трудов. Под ред. В.И. Большакова. - Вып. 41, часть 1. - Днепропетровск: ПГАСА, 2007. - С.119-125.

3. Яковлев А.Ю., Волчок И.П. Влияние меди на структуру и свойства графитизированной стали //Металловедение и термическая обработка металлов. - 2008 - №1. - С.44-46.

4. Volchok I.P., Jakovlev A.J. Materials for conveyor pouring ingot moulds of non-ferrous alloys // Archives of Metallurgy and Materials of Polish Academy of Sciences. - 2007. Vol.52, Issue 3. - P.525-528.

5. Волчок І.П., Яковлев О.Ю. Вплив міді на опір високотемпературному руйнуванню графітизованої сталі //Машинознавство. - 2007 - №7. - С.33-37.

6. Яковлев А.Ю., Волчок И.П. Материалы для изготовления металлических форм // Труды международной научно-технической конференции «Металлургия и литейное производство 2007. Беларусь». - Жлобин: ПОБМЗ - 2007.- С.71-73.

7. Яковлев А.Ю., Волчок И.П. Влияние меди на форму графитовых включений и термостойкость графитизированной стали// “Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах”. Зб. матеріалів XI Міжнар. науково-техн. конференції. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. - С.61-63.

Анотація

Яковлєв О.Ю. Підвищення термостійкості графітизованої сталі для виливниць відцентрового лиття. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - «Матеріалознавство». - Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2008. Роботу присвячено розробленню нового складу термостійкої графітизованої сталі для виробництва металевих форм з експлуатаційними характеристиками більш високими, ніж аналогічні характеристики чавуну з кулястим графітом та графітизованих сталей відомих марок. Вивчено умови роботи металевих форм, механізми та причини їх руйнування. Зареєстровано температурні поля в стінках виливниць для відцентрового лиття та за допомогою методів теорії термопружньопластичності розраховані рівні напружень, що виникають під час термоциклічного навантаження в робочих перетинах стінок виливниць. Встановлено, що метал працює в умовах високотемпературної малоциклової втоми. Вивчено вплив хімічного складу на головні фізико-механічні властивості, які необхідні для сплавів, що працюють в умовах термоциклічного навантаження; отримані кореляційні залежності, на підставі яких оптимізовано хімічний склад графітизованої сталі за вмістом вуглецю, кремнію та міді. Уточнено вплив міді на властивості сталі, визначено її оптимальний вміст. Результати досліджень дозволили рекомендувати дві марки сталей: 130СДТЛ та 130СНМЛ для металевих форм. Опитно-промислова апробація розробленої сталі 130СДТЛ показала технічну та економічну доцільність її застосування.

Ключові слова: графітизована сталь, графітові включення, легування, термовтомне руйнування, механічні властивості, теплопровідність, термостійкість, високотемпературна витривалість.

АННОТАЦИЯ

Яковлев А.Ю. Повышение термостойкости графитизированной стали для изложниц центробежного литья. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - «Материаловедение». - Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2008.

Работа посвящена разработке нового состава термостойкой графитизированной стали для производства металлических форм, превосходящей по основным эксплуатационным характеристикам высокопрочные чугуны и графитизированные стали известных марок. На основании анализа составов графитизированных сталей и областей их применения показано, что эти сплавы находят ограниченное применение в машиностроении, в том числе и для деталей, работающих при термоциклических загрузках. В связи с этим, разработка новых составов сталей данного класса является перспективной задачей. В работе приведены данные о механизмах разрушения металлических форм в процессе эксплуатации.

С применением методов термометрирования, теорий теплопроводности и термовязкоупрогопласичности показано, что на рабочей поверхности изложницы для центробежного литья медных сплавов термические напряжения превышают предел текучести материала и он работает в условиях высокотемпературной малоцикловой усталости, приводящей к короблению, образованию термоусталостных трещин и сетки разгара.

С применением методов математического планирования эксперимента получены регрессионные зависимости, описывающие влияние углерода, кремния и меди на механические свойства, параметр тепловых напряжений, критерий стойкости при термоциклическом нагружении, теплопроводность и термостойкость графитизированной стали.

Методами статистической обработки экспериментальных данных установлено, что прочность и пластичность являются основными характеристиками, определяющими сопротивление стали разрушению при термоциклических нагрузках. В результате оптимизации химического состава установлено, что оптимальным уровнем свойств обладает сталь состава: 1,2...1,4% C, 1,1...1,5% Si, 1,2...1,8% Cu.

Исследование влияния возрастающих присадок меди (от 0,02 до 3,08%) на механические и служебные свойства графитизированной стали показало, что медь в структуре стали вызывает образование медьсодержащих фаз на поверхностях раздела металлическая основа - включение, повышающих теплопроводность метала.

При этом образование этих фаз происходит в условиях медленного охлаждения (старения) при температурах ниже температур эвтектоидного превращения. По полученным результатам оптимизировано содержание меди - около 1,5%, обеспечившее повышение предела прочности на 45%, термостойкости N на 40%, высокотемпературной выносливости в 2,5...5 раз и снижение интенсивности окалинообразования на 40% по сравнению с исходным составом.

Результаты испытаний на термостойкость и высокотемпературную выносливость показали, что в условиях термоциклического нагружения микротрещины зарождались, в основном, на графитовых включениях, распространяясь от одного включения к другому и перерастали в магистральную макротрещину.

При этом глобуляризация, уменьшение размеров и количества графитовых включений являются эффективным методом повышения сопротивления графитизированной стали термоусталостному разрушению и высокотемпературному окислению.

Изучение влияние легирования марганцем, хромом, медью, никелем, молибденом и титаном на структуру, механические и служебные свойства стали позволило предложить два состава графитизированных термостойких сталей: 130СДТЛ (1,2...1,4%C; 1,1...1,5%Si; 1,2...1,8%Cu; 0,3…0,5%Mn 0,05...0,07%Ti) и 130СНМЛ (1,2...1,4%C, 1,1...1,5%Si, 1,0...1,2%Ni, 0,25…0,35%Mo, 0,3…0,5%Mn).

Согласно результатам опытно-промышленного опробования, разработанные стали по механическим и служебным свойствам при комнатной и высоких температурах существенно превосходили нелегированную графитизированную сталь ЭИ366 (130СЛ) и высокопрочный чугун ВЧ40. При этом применение стали 130СДТЛ взамен чугуна ВЧ40 для изготовления металлических форм (кокилей) позволило увеличить их долговечность в 1,4…1,6 раза с ожидаемым экономическим эффектом 130 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: графитизированная сталь, графитовые включения, легирование, термоусталостное разрушение, механические свойства, теплопроводность, термостойкость, высокотемпературная выносливость.

ABSTRACT

Yakovlev A.Y. Rise of thermostabylity of graphitized steel for centrifugal casting moulds. - Manuscript.

The dissertation on scientific degree of candidate technical sciences on a speciality 05.02.01 - “Material Science”. - Zaporіzhzhya National Technical University, Zaporіzhzhya, 2008.

Work is devoted working out of new composition of a thermostable graphitized steel for manufacture of metal moulds which surpasses in the main operating characteristics high-strength cast irons and known graphitized steel. The working conditions of metallic moulds, its fracture mechanism and reasons of failure are studied. The temperature fields in the walls of centrifugal casting moulds are recorded. Using the thermometric and termoelasticplastic metods, the thermal stresses value in their walls of metallic moulds are defined. It is shown, that metal moulds for centrifugal casting works in condition of low-cyclic fatique. Influence of a chemical composition on the basic phisicomechanical properties of steels, which work in conditions of thermocyclic loads, is studied. The optimal contents of carbon, silicon and copper are defined. For further improvement of service properties of a graphitized steel the alloying it by manganeese, silicon, chromium, nikel, copper, molybdenum and titanum was prodused and steels 130СДТЛ and 130СНМЛ for metallic moulds were suggested. Laboratory and industrial tests has shown technical and economic feasibility of its application.

Key words: a graphitized steel, graphite inclusions, alloying, thermocyclic failure, mechanical properties, heat conductivity, thermal stability, high-temperature fatique.

Размещено на Allbest.ru

...