Методы создания структурных оболочек вокруг графитовых включений в высокопрочном чугуне

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы создания структурных оболочек вокруг графитовых включений в высокопрочном чугуне

К.В. Макаренко

А.А. Полторухо

В настоящий момент актуальной остается задача изготовления качественных изделий из графитизированных чугунов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Традиционно применяемые в литейной отрасли технологические операции и приемы часто не обеспечивают требуемую стабильность получения заданных структур в заготовках из чугунов. Задача повышения эффективности способов получения требуемых структур в изделиях из высокопрочных чугунов становится особенно актуальной в связи с возрастающим интересом производителей к бейнитным структурам [1].

Заданные структуры металлической матрицы в чугуне можно получать самыми разными способами, начиная с рационального легирования, модифицирования или регулирования тепловых процессов при охлаждении отливок и заканчивая термообработкой [2]. Наряду с получением высокопрочных металлических матриц в чугунах по упрощенной технологии актуальной остается задача снизить негативное влияние графитовой фазы на механические свойства изделий [3]. Перспективным направлением является разработка методов управления структурообразованием на уровне металлической матрицы. В этом случае можно разрабатывать такие композиционные матрицы, которые за счет перераспределения нагрузки уменьшают отрицательное влияние графитовых включений как концентраторов напряжений в структуре чугуна [4].

Одним из наиболее эффективных способов решения данной проблемы является получение композиционных структур на основе металлической матрицы за счет образования многослойной структурной оболочки вокруг графитовых включений. Композиционные структуры в чугунах могут быть получены на различных размерных уровнях, начиная от нано- и заканчивая макроуровнем [5]. Использование композиционных структурных эффектов для преднамеренного устранения слабых мест в структуре графитизированных чугунов позволяет получать уровень механических и эксплуатационных свойств, ранее недостижимый для данного типа материалов.

Для получения таких структур в чугунах, где графитовые включения изолируются композиционной оболочкой от основной матрицы, представляется возможным использовать несколько направлений. Во-первых, использовать особенности строения чугунов, обусловленные ликвационными явлениями, сопровождающими их кристаллизацию. Во-вторых, применять специальные методы и технологические процессы, основанные на термической обработке, для рационального управления процессами структурообразования. В-третьих, использовать комбинированное направление, в котором рационально сочетаются легирование элементами, обеспечивающими контролируемую сегрегацию в околографитовом пространстве, и специальная термическая обработка.

Эффективным примером создания композиционного упрочнения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом является получение так называемой структуры «твердого глаза». При образовании такой структуры графитовые включения покрываются оболочками мартенсита или бейнита, которые обладают высокой прочностью и твердостью, тем самым затрудняя начальный этап образования трещины на границе графит - матрица. При этом остальная часть металлической основы может быть ферритной или перлитной (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структура «твердого глаза», полученная в высокопрочном чугуне после нагрева ТВЧ с последующей изотермической закалкой (Ч 1000)

Такая структура может быть классифицирована как дисперсионно-упрочненный композит. В соответствии с классификацией Г. Фроммейера, так как минимальный размер графитовых включений в высокопрочном чугуне по ГОСТ 3443-87 может быть менее 15 мкм с учетом толщины оболочки, такие материалы относятся к группе композитов, армированных частицами [6]. Армирующими частицами в таких композиционных материалах будут мартенситные или бейнитные оболочки с размещенными внутри них графитовыми включениями.

Основным способом получения структуры «твердого глаза» в изделиях из чугуна с шаровидным графитом является изотермическая закалка или закалка на мартенсит после кратковременного нагрева на аустенитизацию. Она отличается от традиционной изотермической закалки тем, что проводится в условиях интенсивного нагрева до температур аустенитизации, который может быть обеспечен индукционным нагревом ТВЧ. Оболочки структуры «твердого глаза» вокруг графитовых включений формируются в результате того, что при нагреве выше линии начала эвтектоидного превращения А_с1^к аустенит начинает образовываться в первую очередь у графитовых включений, что приводит к их растворению и диффузии углерода в феррит. При такой термической обработке сопутствующим процессом является зернограничное упрочнение, обусловленное интенсивно протекающей граничной диффузией. Схема режима термической обработки для получения структуры «твердого глаза» представлена на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Схема термической обработки высокопрочного чугуна для получения структуры «твердого глаза» с нагревом ТВЧ на аустенитизацию: I - закалка на мартенсит; II - закалка на бейнит

Размеры мартенситных или бейнитных оболочек определяются такими параметрами, как исходный размер графитовых включений и параметры термической обработки, к которым, в свою очередь, относятся температура и время выдержки при аустенитизации, а также способ охлаждения.

Проведем расчет модуля упругости высокопрочного чугуна, армированного частицами упрочненных оболочками бейнита или мартенсита графитовых включений. Модуль упругости можно рассчитать, используя правило смесей [7]:

или

где V_p и V_m - объемные доли частиц и матрицы; E_с, E_p и E_m - модули упругости композита, частиц и матрицы соответственно.

Для оценки модуля упругости высокопрочного чугуна, упрочненного частицами графитовых включений с оболочками типа «твердый глаз», примем структуру матрицы чугуна ферритной (E_m = 200 ГПа при температуре 20 ^оС). Модуль упругости бейнита с 28 % аустенита E_p = 195 ГПа, а мартенсита - E_p = 175 ГПа [8]. Зависимость модуля упругости высокопрочного чугуна от структуры оболочки типа «твердый глаз» и объемного содержания армирующих частиц представлена на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Зависимость модуля упругости высокопрочного чугуна от объемного содержания армирующих частиц и структуры оболочки типа «твердый глаз»: 1 - бейнит; 2 - мартенсит

Как следует из анализа рис. 3, для сокращения негативного влияния неравномерного распределения графитовой фазы необходимо, чтобы модули упругости фаз металлической матрицы и структурной составляющей, образующей оболочку вокруг графитового включения, были приблизительно одинаковыми.

Другим направлением создания композиционных структур в чугунах является получение аустенитных оболочек вокруг графитовых включений. Образование аустенита в конечной структуре возможно только при легировании чугуна элементами, повышающими стабильность аустенита. Последующая термообработка должна обеспечивать сегрегацию этих элементов в область около графитовых включений. К химическим компонентам чугуна, обеспечивающим сохранение аустенита в металлической матрице графитизированных чугунов до комнатных температур, относятся Mn, Ni и Mo. К сожалению, эти элементы не ликвируют к графитовым включениям. Однако требуемого перераспределения этих компонентов можно добиться в условиях конкурентной кристаллизации одновременно двух высокоуглеродистых фаз - цементита и графита.

а) б)

в)

Рис. 4. Микроструктура чугуна, легированного никелем и молибденом: а - литое состояние, Ч 1000; б - закалка с полной диссоциацией эвтектического цементита, Ч 500; в - закалка с частичной диссоциацией эвтектического цементита (травление 4%-м спиртовым раствором пикриновой кислоты), Ч 1000

На рис. 4 а представлена микроструктура самозакаливающегося половинчатого чугуна с метастабильным цементитом. Химический состав чугуна (в мас. %): 3,1 С; 3,0 Si; 0,5 Mn; 0,06 Mg; 1,7 Mo; 3,0 Ni; 0,012 S; 0,06 P; Fe - остальное. В процессе кристаллизации такого чугуна происходит перераспределение химических компонентов сплава. Графитовые включения образуются на дендритах первичного аустенита, который имеет повышенную концентрацию никеля, обусловленную прямой дендритной ликвацией этого элемента. Нагрев на аустенитизацию такого чугуна приводит к диссоциации легированного метастабильного цементита, а закалка в воде фиксирует мартенситно-аустенитную матрицу с мелкодисперсной графитовой фазой, образовавшейся в процессе отжига (рис. 4 б). В процессе аустенитизации при росте графитовых включений (за счет углерода распавшегося цементита) наблюдается сегрегация никеля в областях около графитовой фазы. Повышенная концентрация Ni в этих областях способствует формированию метастабильного аустенита. Дополнительной стабилизации аустенита в околографитовой области способствует повышенная концентрация углерода, обусловленная растворением графитовых включений при нагреве до температур аустенитизации.

Для идентификации структурной составляющей, формирующейся в виде оболочки графитовой фазы, были проведены исследования микротвердости. Микротвердость фазы, образующей оболочку, составила 4122 МПа, что соответствует аустениту в чугуне.

Композиционное упрочнение, обеспечиваемое формированием вокруг графитовых включений аустенитных оболочек, придает чугунам высокие пластические и прочностные свойства. Кроме того, присутствие в чугуне метастабильного аустенита, отвечающего принципу Богачева-Минца, позволяет использовать его для получения деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного или кавитационного износа [9]. Наиболее высокая износостойкость получается в чугунах, подверженных после аустенитизации закалке в воде, что обеспечивает получение мартенситной структуры с частичным сохранением эвтектического цементита (рис. 4 в). При этом в процессе диссоциации цементита выделяется дисперсная графитовая фаза, что оказывает положительное влияние на эксплуатационные и механические свойства чугунов.

Для создания композиционных упрочняющих оболочек вокруг графитовых включений можно использовать явление спинодального расслоения феррита. На рис. 5 представлены структуры чугунов, легированных медью и кремнием, после специальной термической обработки, сочетающей графитизирующий отжиг в области эвектоидного превращения с последующим искусственным старением.

а) б)

Рис. 5. Микрокомпозиционное структурирование на базе графитовых включений в чугуне с вермикулярным графитом, легированном кремнием и медью, при различном увеличении (травление 4%-м спиртовым раствором пикриновой кислоты): а - Ч 500; б - Ч 1000

Механизм влияния кремния при создании микрокомпозиционной гетерогенной структуры оболочки, покрывающей графитовые включения, подробно рассмотрен в работе Г.И. Сильмана [10]. В заключение необходимо отметить тот факт, что при получении повышенной концентрации Si в локальных областях у графитовых включений использовали естественную ликвацию этого элемента, возникающую при кристаллизации чугуна.

Список литературы

металловедческий оболочка графитовый включение

1. Макаренко, К.В. Анализ процессов структурообразования в чугунах / К.В. Макаренко // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 4. - С. 43-48.

2. Макаренко, К.В. Способ оптимизации структуры конструкционных материалов / К.В. Макаренко, А.В. Тотай, В.П. Тихомиров // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 11. - С. 35-40.

3. Макаренко, К.В. Фрактографический анализ графитизированных чугунов / К.В. Макаренко, Д.В. Чмыхов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2009. - № 10. - С. 39-44.

4. Макаренко, К.В. Композиционное структурирование высокопрочного чугуна / К.В. Макаренко, А.В. Тотай, А.Н. Поддубный, Е.А. Зенцова// Вестн. БГТУ. - 2012. - № 1. - С. 99-103.

5. Макаренко, К.В. Компьютерное моделирование и оптимизация структуры высокопрочного чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко // Вестник машиностроения. - 2011. - № 9. - С. 69-73.

6. Мэттьюз, Ф. Композиционные материалы. Механика и технология / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс. - М.: Техносфера, 2004. - 408 с.

7. Физическое металловедение. В 3 т. Т. 2. Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами / под ред. Р.У. Кана, П.Т. Хаазена. - М.: Металлургия, 1987. - 624 с.

8. Чугун: справочник / под ред. А.Д. Шермана, А.А. Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 576 с.

9. Счастливцев, В.М. Роль принципа метастабильности аустенита Богацева-Минца при выборе износостойких материалов / В.М. Счастливцев, М.А. Филиппов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 1. - С. 6-9.

10. Сильман, Г.И. Микрокомпозиционное структурирование феррита и его проявление в чугунах и сталях/ Г.И. Сильман // Вестн. БГИТА. - 2009. - №2. - С. 69-81.

Размещено на Allbest.ru