Эволюция нерегламентируемых форм графитных включений в графитизированных конструкционных чугунах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эволюция нерегламентируемых форм графитных включений в графитизированных конструкционных чугунах

С.В. Давыдов, Д.А. Болдырев, В.М. Сканцев, Л.И. Попова

Проанализировано и обосновано влияние эволюции формы графита от пластинчатой к шаровидной на свойства конструкционных чугунов, рассмотрены их особенности, оценена перспективность их промышленного применения. Показана целесообразность рационального использования для изготовления отливок нерегламентированных графитизированных чугунов с промежуточной, переходной морфологией графитных включений взамен высоких марок серого чугуна с пластинчатым графитом (СЧ30, СЧ35) и ковкого чугуна. Приведено обоснование уместного использования чугунов данных типов с учётом их особенностей.

Ключевые слова: конструкционные чугуны, графит, микроструктура, механические свойства.

The evolution influence of the graphite form (from a plate-type form to a globular one) upon structural cast iron properties was analyzed and grounded, there were also considered cast iron peculiarities and prospects of their commercial application is estimated. For castings production the expediency of rational application of unregulated graphitized cast iron with the intermediate transitional morphology of graphite inclusions instead of grey iron high grades with lamellar graphite (GI 30, GI 35) and malleable cast iron is shown. The appropriate use substantiation of mentioned cast iron types taking into account their peculiarities is shown.

Key words: structural cast iron, graphite, microstructure, stress-strain properties.

До настоящего времени в РФ и за рубежом в нормативных документах официально закреплены 4 типа конструкционных чугунов в зависимости от формы графитных включений: СЧПГ, ЧВГ, КЧ и ВЧШГ. Однако в процессе сфероидизирующего модифицирования расплава чугуна эволюция формы графитных включений от пластинчатой к шаровидной через вермикулярную протекает не дискретно, скачкообразно, а непрерывно, монотонно, через формирование разнообразных промежуточных, переходных форм графита, до сих пор полноценно не классифицированных, движущие силы и механизм образования которых не объяснены.

Актуальной и в полной мере не решённой проблемой, имеющей важное прикладное значение, является необъяснённость, необоснованность формирования нормированных (по ГОСТ 3443-87) и ненормированных форм графитных включений в чугунах, их размеров, распределения, количественных характеристик в зависимости от комплекса технологических факторов (химического состава чугуна, температуры выплавки и заливки, параметров модифицирующей обработки (в том числе химического и фракционного состава модификаторов), габаритов, толщины стенки, особенностей конструкции отливки и др.). Многие из нерегламентированных форм графита в чугуне априорно, без достаточной аргументации относятся к дефектам литейного происхождения, часто не отличаются стабильностью (воспроизводимостью). При этом их влияние на механические и эксплуатационные свойства чугуна до сих пор основательно не исследовано. Некоторые из форм графита действительно имеют отрицательное влияние на комплекс свойств чугуна. Это, например, такие вырожденные формы шаровидного графита, как колонии ВГр5 вермикулярного графита («чанки»-графит) - результат высокого содержания РЗМ (рис. 1), «взорванный» графит ШГф1, формирующийся вследствие высокого углеродного эквивалента, низкой скорости охлаждения или высокого содержания РЗМ (рис. 2), игольчатый графит ПГф3, выделяющийся при высоком содержании свинца, висмута и сурьмы (рис. 3), на образование которых объективно влияют явные отклонения, нарушения в технологическом процессе.

Однако при обработке расплава чугуна элементами-сфероидизаторами в определённых диапазонах их концентраций в структуре чугуна происходит постепенное видоизменение морфологии графитных включений от пластинчатой формы к вермикулярной и шаровидной. Наименее исследованными и поэтому представляющими наибольший интерес являются формы графита, образующиеся в структуре чугуна при превращении пластинчатой формы в вермикулярную.

графит чугун графитизированный пластинчатый

Рис. 1. Колонии ВГр5 вермикулярного графита («чанки»-графит)

Рис. 2. «Взорванный» графит ШГф1

Рис. 3. Игольчатый графит ПГф3

Укрупнённо переход от СЧПГ к ВЧШГ при эволюции компактности графитных включений можно представить в виде, показанном на рис. 4.

Повышение фактора формы графита Ф и механических свойств чугунов

Рис. 4. Понятийная схема эволюции типов конструкционных чугунов в зависимости от степени компактности графитных включений

В общем случае при увеличении содержания остаточного магния в расплаве чугуна включения графита изменяют свою форму в следующей последовательности. Пластинчатый равномерно распределённый графит ПГр1 и небольшие зоны с его междендритным распределением ПГр8, ПГр9 (рис. 5-7) содержатся в исходном немодифицированном сером чугуне. Пластинчатый графит правильной формы ПГф1 образуется в чугуне при содержании остаточного магния менее 0,01%. При этом пластинки становятся толще, формируются зоны с розеточным графитом ПГр7 ветвистыми включениями, растущими из одного центра (рис. 8), прочность чугуна увеличивается на 10-20 МПа.

Рис. 5. Равномерное распределение графита ПГр1

Рис. 6. Междендритное точечное (ненаправленное) распределение графита ПГр8

Рис. 7. Междендритное пластинчатое (направленное) распределение графита ПГр9

При увеличении количества вводимого в расплав магния уменьшается количество эффективных зародышей графита, что приводит к усилению образования розеточного распределения графита ПГр7. Кристаллизация начинается с образования дендритов аустенита, а графит растёт в междендритном пространстве, что способствует его измельчению и междендритному распределению. Розеточное распределение графита ПГр7 изначально соседствует с междендритным ПГр8, ПГр9, а затем им полностью заменяется.

Сфероидизирующее действие магния на графит начинает проявляться при его концентрации 0,010-0,014% и характеризуется формированием наряду с розеточным распределением пластинчатого графита ПГр7 разветвлённого псевдопластинчатого коралловидного графита, наиболее близкого по морфологии розеточному распределению вермикулярного графита ВГр3 и нитевидному графиту КГф1 (рис. 9, 10) с более высоким, чем у пластинчатого графита, фактором формы [1]:

где F и P площадь и периметр включения графита соответственно.

По сути, такой тип чугуна уже не является СЧПГ, но и не классифицируется как ЧВГ, поэтому в данной статье ему присвоено условное название ЧКГ. Укрупнённая оценка экономической составляющей процесса получения ЧКГ показывает, что его стоимость ниже стоимости высоких марок СЧПГ (СЧ30, СЧ35), получаемых путём дополнительного печного или ковшевого микролегирования базового расплава чугуна такими элементами, как марганец, медь, олово. При соотносимой стоимости модифицирующей обработки расплава чугуна гарантированное достижение временного сопротивления свыше 300 МПа возможно при ферритно-перлитной металлической основе нелегированного чугуна (в отличие от чисто перлитной для марок СЧ30, СЧ35) за счёт уменьшения надрезывающего действия окончаний графитных включений и их более компактного сосредоточения (более низкого коэффициента концентрации напряжений псевдопластинчатого коралловидного графита по сравнению с пластинчатым).

Рис. 8. Розеточное распределение пластинчатого графита ПГр7

Рис. 9. Розеточное распределение вермикулярного графита ВГр3

Рис. 10. Нитевидный графит КГф1

Таким образом, последовательность эволюции морфологии графита от пластинчатого к вермикулярному выглядит следующим образом:

ПГр1 ПГр8, ПГр9 ПГр7 ВГр3 КГф1 ВГф2, ВГф3.

При концентрации магния свыше 0,014% его сфероидизирующее влияние на графит усиливается, образуется вермикулярный графит ВГф2, ВГф3, растущий из шаровидных зародышей. Шаровидный графит при этом вырождается из-за формирования на его поверхности графитных ответвлений, растущих в контакте с расплавом. Механизм роста вермикулярного графита является комбинированным, смешанным, с присущими чертами формирования обеих форм графита пластинчатой и шаровидной. С увеличением в расплаве содержания остаточного магния вермикулярный графит полностью заменяется шаровидным [2].

До конца 1980-х гг. отливки многих деталей, в том числе корпусных, таких как картер редуктора заднего моста (рис. 11), крышка подшипника дифференциала заднего моста (рис. 12), автомобилей ГАЗ, МАЗ, ЗИЛ, ВАЗ и др. изготовлялись из ковкого чугуна (КЧ) марок КЧ37-12, КЧ45-6(7) (ГОСТ 1215-79).

В связи с длительностью (24-60 ч, меньшая длительность для белосердечного, большая для черносердечного КЧ) и, как следствие, высокой стоимостью технологии изготовления литых заготовок деталей из КЧ, а также постепенным выводом из использования чугуна данного типа по мере освоения и внедрения ВЧШГ на отечественных предприятиях осуществлялся полномасштабный перевод отливок на данный материал.

С конца 1980-х гг., после выпуска ГОСТ 28394-89 на ЧВГ, начался постепенный перевод уже производимых отливок и новых, с более высокими требованиями к механическим свойствам по сравнению с СЧПГ, на этот материал.

Рис. 11. Отливка «Картер редуктора заднего моста»

Рис. 12. Отливка «Крышка подшипника дифференциала заднего моста»

Рис. 13. Отливка «Коллектор выпускной»

Однако сравнительный анализ ГОСТов показывает, что ЧВГ уступает КЧ и ВЧШГ по относительному удлинению, являющемуся, наряду с временным сопротивлением, важной механической характеристикой для многих деталей машиностроения. При этом чугун со смешанным вермикулярным и шаровидным графитом (ЧВШГ) без регламентации процентного соотношения шаровидных включений может стать более технологически рациональной и экономически оправданной альтернативой КЧ и низким маркам ВЧШГ.

На практике было доказано, что ЧВШГ может быть применён, в частности, для изготовления некоторых деталей автомобиля, к которым предъявляются более высокие требования к теплофизическим свойствам, чем у ВЧШГ, при немного меньшей прочности и нерегламентируемой пластичности. Например, в некоторых моделях автомобилей ВАЗ из чугуна со смешанным неоговариваемым содержанием шаровидного и вермикулярного графита изготовляется такая термически и механически нагруженная деталь, как выпускной коллектор (рис. 13), изначально получаемая из ВЧШГ марки ВЧ50.

Результаты стендовых натурных и дорожных ресурсных испытаний убедительно доказали равнозначную работоспособность выпускных коллекторов из ВЧ50 и ЧВШГ40, так как при самом широком варьировании содержания вермикулярного графита в структуре чугуна его теплофизические характеристики будут выше, чем у стандартного высокопрочного чугуна марки ВЧ50.

При этом технология получения ЧВШГ является наиболее простой, так как предполагает использование ковшей для сфероидизирующей обработки практически любой конструкции с исходной конструкцией футеровки, а также любых магнийсодержащих лигатур (тяжёлых, полутяжёлых или лёгких) по принципу недомодифицирования при их правильно подобранном расходе, исключающем формирование в микроструктуре чугуна пластинчатой формы графита.

Таким образом, ЧВШГ по прочностным свойствам идентичен низким маркам ВЧ (ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45) при более высоких теплофизических параметрах и является их полноценной заменой при отсутствии специальных требований к пластическим характеристикам.

Для расширения видов нового типа КЧ с компактной формой графита со специальными свойствами, в частности для получения стабильно-половинчатых износостойких чугунов, использовали эффект избирательного растворения цементита под влиянием модифицирования висмутом и теллуром, а также графитизирующий эффект сульфидно-марганцевой фазы при отжиге КЧ.

С этой целью в чугуны с повышенным содержанием серы вводили дополнительно хром и медь (табл. 1).

Химический состав сернисто-медистых чугунов Таблица 1

* А.с. 1041597 СССР, МКИ С 22 С 37/06

**Сернистая ферромедь - продукт доизвлечения меди из отходов медеплавильного производства, имеет состав: 11,6% Cu; 2,7% S; 0,44% С; 0,07% Si

Термообработку чугуна 1 (табл. 1) проводили по двум режимам. Первую группу образцов закладывали в горячую печь, выдерживали 15 мин и охлаждали со скоростью 120…150С/ч (рис. 14 а, б). Вторую группу образцов нагревали вместе с печью до требуемой температуры и сразу же охлаждали (без выдержки) со скоростью 100С/ч (рис. 14 в, г). В первой группе образцов произошла полная перлитизация чугуна с формированием полноценных включений графита отжига и остаточных цементитных пластин (рис.14 а, б). Во второй группе образцов произошла полная ферритизация структуры (рис.14 в, г). В двух группах образцов зафиксировано графитизирующее влияние сульфидов (рис.14 б, г), причём графит отжига буквально нашпигован ими. Метастабильность цементитной структуры чугуна при отжиге второй группы образцов настолько велика, что карбидообразующее и стабилизирующее влияние небольшого количества хрома (0,15%) оказалось недостаточным.

Рис. 14. Микроструктура чугуна 1, прошедшего графитизирующий отжиг при 9500С: а, в - ?400; б, г - ?630 (травление ниталем)

Ввод в чугун хрома на уровне 2% (чугун 2, табл. 1) резко стабилизировал цементитную структуру чугуна. Перлитизация структуры полностью завершилась только по истечении 3 ч при нагреве до 980С, а для распада ледебуритного каркаса на изолированные включения цементита потребовалось 8 ч выдержки (рис.15 а, б).

В чугуне 2 также зафиксирован эффект графитизации на сульфидной фазе (рис. 15в). Исследование графитообразования на сульфидной фазе показано на рис. 16.

а) б) в)

Рис. 15. Микроструктура чугуна 2, прошедшего графитизирующий отжиг при 980С в течение 8 ч: а - х100; б, в - х400 (а, б травление ниталем; в - не травлено)

В каждом включении графита отжига находится неметаллическое включение (рис. 16 а, б). Адсорбцию железокарбидных фуллереновых комплексов, активизирующих поверхность неметаллического включения, иллюстрируют рис. 16 в, г, на которых сульфид, сокристаллизовавшийся с цементитом, графитизируется только со стороны перлита. Поверхность сульфида, находящаяся внутри цементита, не активирована, и процесс распада комплексов не происходит. В процессе графитизации распадается только внешняя оболочка цементита, дестабилизированная графитовыми эндоэдральными комплексами на основе висмута, теллура и меди.

Рис. 16. Влияние сульфидно-марганцевой фазы на графитизацию стабильно-половинчатого чугуна, ?630 (травление ниталем)

В табл. 2 приведены результаты испытаний триботехнических свойств стабильно-половинчатых чугунов

Триботехнические и механические свойства стабильно-половинчатых чугунов Таблица 2

* Триботехнические исследования проводились по стандартной методике на машине трения СМЦ-2 с использованием контртела (закаленная сталь 40Х) при давлении колодки на ролик 120 МПа в среде дистиллированной воды, имитирующей условия полусухого трения

Полученный новый тип стабильно-половинчатых чугунов на базе ковких сернистых чугунов со стабильно-половинчатой структурой запатентован.

При наличии требований только к механическим свойствам чугуна и нерегламентированной микроструктуре (морфологии графитных включений) конструкционные чугуны с промежуточными, переходными формами графита не являются дефектным продуктом, так как полноценно заменяют как высокие марки СЧПГ СЧ30, СЧ35 (чугун с коралловидным графитом КГф1, ВГр3), так и КЧ и низкие марки ВЧШГ (чугун с вермикулярным и шаровидным графитом).

Список литературы

1. Литовка, В.И. Повышение качества высокопрочного чугуна в отливках / В.И. Литовка. - Киев: Наукова думка, 1987. 208 с.

2. Балинский, С. В. Особенности процесса модифицирования чугунов/ С.В.Балинский, Д. С. Кравченко Литейное производство.-2001.-№1.-С. 9-11.

Размещено на Allbest.ur