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.