Влияние химического состава на механические свойства изотермически закаленного высокопрочного чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние химического состава на механические свойства изотермически закаленного высокопрочного чугуна

канд. техн. наук, доцент К.В. Макаренко

инженер Е.А. Зенцова

Аннотация

В статье рассмотрено влияние легирующих элементов, таких как Ni и Cu, на прочностные и пластические свойства изотермически закаленного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Дополнительно изучено влияние режима термической обработки на особенности распределения структурных составляющих металлической матрицы в бейнитных чугунах.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, свойства, структура, состав, изотермическая закалка, бейнит.

Annotation

In the article the effect of alloying elements such as Ni and Cu on the strength and ductile properties of austempered ductile iron with spheroidal graphite. Additionally, the effect of heat treatment on the features of the distribution of structural components of the metal matrix in the bainitic iron is studied.

В настоящее время бейнитный чугун с шаровидным графитом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, благодаря оптимальному сочетанию механических, эксплуатационных и технологических свойств.

Свойства бейнитного чугуна с шаровидным графитом определяются дисперсностью структурных составляющих, которая зависит от выбранного режима термической обработки и соответствующей степени легирования. Основным технологическим способом получения в изделиях из графитизированных чугунов бейнитных структур является изотермическая закалка, которая состоит из нагрева на аустенитизацию и последующей закалки в соляной ванне при температурах промежуточного превращения. Изменяя температурно-временные режимы соответствующих стадий термической обработки можно варьировать структуру и свойства чугунов. Важную роль в процессах бейнитного структурообразования играют легирующие элементы, которые изменяя устойчивость аустенита, оказывают влияния на прокаливаемость чугуна и оптимизацию параметров режима изотермической закалки. Традиционно основными легирующими элементами в бейнитных чугунах считаются молибден и никель. Однако их использование для легирования чугунов, приводит к увеличению себестоимости материала.

В работе обобщены исследования по оценке влияния легирующих элементов, а именно никеля и меди, на механические свойства и структуру изотермически закаленного высокопрочного чугуна. Медь при легировании чугуна использовали, как альтернативу дорогостоящему молибдену.

В рамках исследования влияние легирующих элементов на механические свойства были проведено три экспериментальных плавки, химический состав которых представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав экспериментальных плавок

Чугунный расплав заливали в песчано-глинистые формы с целью получения литых заготовок для дальнейшего исследования. Исходная структура в заготовках, полученных из чугунов химсостава, отвечающих плавкам № 1 и № 2 (таблица 1) - ферритная, а в заготовках плавки № 3 -ферритно-перлитная. Из литых заготовок на токарном станке вырезали цилиндрические образцы с размерами 2515 и стандартные пробы по ГОСТ 7293-85 для определения механических свойств. Экспериментальные изделия из исследуемых чугунов подвергали изотермической закалке по следующему режиму: аустенитизация - температура 900 ^оС, время 1 час; изотермическая закалка - температура 320 ^оС, время 2 часа. В качестве закалочной среды использовали расплав свинцово-оловяного припоя. В связи с тем плотность закалочной среды выше плотности чугуна, образцы для полного погружения в расплав нагружали специальными приспособлениями. После выдержки в закалочной ванне их охлаждали на воздухе.

Результаты механических свойств экспериментальных образцов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты механических испытаний

Примечание: * В маркировке образца цифровое обозначение соответствует режиму обозначение - химическому составу (таблица 1).

После проведения механических испытаний был проведен анализ полученных результатов. Как видно из таблицы 2 оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств было получено для образцов А-2. При относительно высоком показателе предела прочности 1290,5 МПа значение относительного удлинения составляет 7,1 %, а значение ударной вязкости равно 150 кДж/м².

Микроструктура чугуна после изотермической закалки (образец А-2) представлена на рисунке. Она соответствует бейнитно-ферритному высокопрочному чугуну с шаровидным графитом. При этом наблюдается зернограничное и околографитовое выделение бейнитных структур. Такое закономерное распределение бейнитных структур в матрице высокопрочного чугуна стало возможным получить за счет рационального управления процессом аустентитизации. При нагреве аустенит в чугунных изделиях возникает первоначально в местах, где интенсивно протекает диффузия углерода. Такими участками в исходном ферритном чугуне являются области около графитовых включений и границы зерен, являющиеся путями ускоренной диффузии. Насыщение ферритной матрицы углеродом приводит к трансформации исходной объемно-центрированной решетки в гранецентрированную, которая соответствует г-фазе. Последующее бейнитное превращение реализуется только в тех местах металлической матрицы чугуна где после процесса аустенитизации образовалась г-фаза.

легирующий пластический закаленный чугун

Микроструктура высокопрочного чугуна после изотермической закалки, экспериментальный образец А-2, Ч500 (травление 4-% спиртовым раствором пикриновой кислоты)

Как известно формирование бейнитных структур включает несколько стадий: во-первых, распад аустенита на бейнитный (игольчатый) феррит и высокоуглеродистый аустенит (г_вс) г>б+г_вс; во-вторых, превращение высокоуглеродистого аустенита в бейнит г_вс>б+карбид. Выделение карбидов при распаде высокоуглеродистого аустенита является не желательным, так как приводит к образованию хрупкой высокоуглеродистой фазы по границам бейнитных включений, снижая прочностные и пластические свойства.

Для увеличения устойчивости двухфазной структуры (феррит + высокоуглеродистый аустенит) вводят легирующие элементы, которые образуя твердые растворы замещения, упрочняют аустенит, повышают твердость конечной -фазы и увеличивают бейнитную прокаливаемость чугуна, подавляя перлитное превращение. Часто, как ранее было отмечено, выбор легирующих элементов ограничивается медью, никелем, марганцем и молибденом. Молибден наиболее значительно увеличивает бейнитную прокаливаемость. Однако, Mo обладая склонностью к ликвации по границам эвтектических колоний и формированию устойчивых карбидов в этих областях, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна. Никель стабилизирует аустенит, повышает прокаливаемость, тормозит выделение карбидов, понижает температуру эвтектоидного превращения. Медь эффективно повышает прокаливаемость, препятствует выделению карбидов из аустенита, незначительно повышает устойчивость аустенита. Медь сегрегирует преимущественно вокруг графитовых включений, создавая барьер для диффузии углерода между графитом и аустенитом. Легирование медью иногда осуществляют для нейтрализации отрицательного влияния молибдена.

Согласно результатам многочисленных исследований легирование чугуна только медью либо только никелем не может обеспечить достаточную прокаливаемость изделиям, но совместное легирование этими элементами повышает прокаливаемость чугуна в области бейнитного превращения. Легированный медноникелевый бейнитных чугун с шаровидным графитом имеет однородную структуру, не содержит хрупких фаз по границам зерен и обладает лучшими механическими свойствами по сравнению с чугуном, содержащим марганец или молибден.

При проведении исследования оптимальное сочетание механических свойств было получено для образцов содержащих 1,8 % Ni + 1 % Cu. С увеличение массовой доли этих легирующих элементов наблюдается рост прочностных с одновременным снижением пластических свойств. Это происходит в результате усиливающейся сегрегации указанных легирующих элементов по границам фаз и ферритных зерен.

Одним из способов снижения негативного влияния легирующих элементов на механические свойства чугуна является увеличение содержания кремния, которое способствует более равномерному распределению легирующих элементов. Однако чрезмерное увеличение кремния в составе чугуна может способствовать формированию силикоферритной металлической матрицы в процессе изотермической выдержки, что приведет к резкому падению пластических свойств изделий.

Размещено на Allbest.ru