Костина Л.Л., Нотыч Л.Н.

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

ПОВЫШЕНИЕ  СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ  ГРАФИТОМ

 

     Широкое применение высокопрочных чугунов для различных деталей машиностроения обусловлено возможностью получения высокой прочности изделий. Повышения прочности достигают как за счет компактной формы графитных включений, так и за счет легирования и термической обработки.

Для низко- и средненагруженных деталей целесообразно использование чугунов с вермикулярным графитом (ЧВГ), сочетающих высокие литейные свойства с достаточными механическими характеристиками. Относительная компактность включений графита приводит к тому, что прочность этих чугунов в литом состоянии составляет порядка 400-500 МПа и может быть повышена термической обработкой. Применение легирования для повышения свойств этих чугунов может быть затруднено, так как ввод любого легирующего элемента изменяет термодинамические условия кристаллизации и формирования фаз. Вермикулярный графит имеет довольно узкий по концентрации элементов интервал формирования. Изменение условий кристаллизации может привести к изменению формы графитных включений и даже к невозможности получить включения необходимой формы в данных условиях. Поэтому основным способом упрочнения ЧВГ следует считать термическую обработку. Конкретные методы и режимы упрочнения определяются составом и способом получения чугуна.

 По способам получения существует довольно много чугунов с вермикулярной формой графита. Наиболее распространенными можно назвать чугуны, полученные модифицированием магниевыми лигатурами и лигатурами, содержащими редкоземельные элементы (РЗМ). Характерной особенностью всех чугунов с вермикулярным графитом является их химическая неоднородность в литом состоянии, особенно по углероду. кремнию и марганцу. Обусловлена она процессами роста графитных включений в жидком расплаве и происходящего при этом оттеснения кремния в окружающий расплав от графита и соответствующего перераспределения марганца и других элементов. Химическая неоднородность приводит к параллельному формированию структурной неоднородности матрицы чугуна, так как феррит образуется в областях с пониженным содержанием углерода и, следовательно, повышенным содержанием кремния; перлит - в областях с повышенным содержанием углерода и марганца. Наличие химической и структурной неоднородности приводит к существованию в литом металле довольно крупных областей с пониженной прочностью, что снижает общую прочность изделия. Поэтому для повышения прочности ЧВГ необходимо уменьшить структурную и химическую неоднородность, или уменьшить размеры участков различного состава и обеспечить их равномерное перемешивание в структуре.

Наиболее распространенными в практике термической обработки способами повышения химической однородности являются отжиг и нормализация с нагревом до температур выше АС3.  Однако возможность диффузии элементов еще не является гарантией повышения однородности чугуна; в условиях многокомпонентной системы особенности структурных превращений при нагреве могут  привести к восходящей диффузии некоторых элементов и усугублению неоднородности чугуна.

Так, при изучении процессов, происходящих при нагреве магниевого чугуна, модифицированного лигатурой ЖКМ-2, установлено, что в литом состоянии ликвация кремния в нем смешанного типа. Т.е. в пределах эвтектического зерна существует две зоны обогащения кремнием: вокруг графитных включений и по эвтектическим границам. Состав чугуна: 3,2-3,4% углерода. 2,2-2,4% кремния, 0,65% марганца и 0,02% магния. Свойства в литом состоянии: предел прочности 500-530 МПа, относительное удлинение 2%, твердость НВ 2070-2410 МПа; структура матрицы перлито-ферритная (до 70% перлита). При нагреве до температур выше критических, особенно до аустенитного состояния, в магниевом чугуне происходит перемещение кремния от эвтектических границ и периферии эвтектического зерна к графитным включениям. В результате чего пересыщенность кремнием эвтектических границ несколько снижается, но в узких околографитных областях, также пересыщенных кремнием в литом состоянии, содержание кремния увеличивается и может достигать 3% и более. Это вызывает охрупчивание околографитной матрицы и всего изделия. Поэтому для магниевого ЧВГ  термическая обработка не должна проводиться при высоких температурах и с длительными выдержками. Целесообразнее проводить нормализацию от температур межкритического интервала 850-870 0С и временем выдержки до 1 часа. При такой обработке прочность составляет до 770 МПа, относительное удлинение до 9%, ударная вязкость до 40 Дж/см2 и твердость НВ 2400-2690 МПа.

Чугун, модифицированный РЗМ (лигатура ФС30РЗМ30) в литом состоянии имеет 3,0-3,3% углерода, 2,6-2,8% кремния, 0,50% марганца, феррито-перлитную структуру матрицы (до 30% перлита) и обратную ликвацию кремния. Это значит, что кремнием обогащены центральные зоны эвтектического зерна. Свойства его в литом состоянии : предел прочности 380-400 МПа, относительное удлинение до 2%, твердость НВ 2070-2280 МПа. При нагреве этого ЧВГ кремний перемещается от графитных включений к эвтектическим границам, тем самым его концентрация по зерну выравнивается; параллельно этому выравниваются концентрации и повышается однородность распределения марганца и углерода. Поэтому для этого чугуна можно рекомендовать термическую обработку с высоким и длительным нагревом. Так, после нормализации от 890-910 0С  предел прочности этого ЧВГ составил 600 МПа, относительное удлинение до 6%. ударная вязкость до 40 Дж/см2, твердость НВ 2550 МПа.

Таким образом, для назначения режима термического упрочнения высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом необходимо изучить процессы диффузионных изменений в нем при нагреве и выдержке.