Особенности термической обработки чугуна с вермикулярным графитом, модифицированного РЗМ

УДК 621.78

ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЧУГУНА С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ, МОДИФИЦИРОВАННОГО

РЗМ

Л.Л. Костина, доцент, к.т.н., А. В. Яшиш, студент ХНАДУ

Аннотация. Получены кривые изотермического распада аустенита в высокопрочном чугуне с вермикулярным графитом, модифицированном РЗМ-содержащей лигатурой. Наличие перед началом превращения химической неоднородности по кремнию и углероду способствует уменьшению инкубационного периода в диффузионной и в промежуточной областях.

Ключевые слова: чугун, графит, лигатура, модифицирование, структура, нормализация.

Введение

В практике современного автомобиле- и машиностроения все шире применяют высокопрочные чугуны. Технологический процесс изготовления деталей из высокопрочных чугунов более прост и экономичен, чем процесс изготовления стальных деталей. Чугуны менее чувствительны к концентраторам напряжений, ударным нагрузкам. Одним из наиболее распространенных способов получения отливок из высокопрочного чугуна с вер-микулярным графитом (ЧВГ) является модифицирование расплава РЗМ-содержащей лигатурой. Для повышения свойств литых деталей из ЧВГ последующей термической обработкой необходимо изучение особенностей фазовых и структурных превращений, происходящих в этом чугуне при нагреве и охлаждении.

Анализ публикаций

В то время как превращения при нагреве и выдержке высокопрочного чугуна с шаровидным графитом различных составов и способов получения в литературе частично описаны [1, 2]; превращениям, происходящим в ЧВГ, уделено значительно меньше внимания [3, 4].

Цель и постановка задачи

Целью настоящего исследования было определение последовательности и кинетики распада аустенита в ЧВГ, модифицированном РЗМ-содержащей лигатурой ФС30РЗМ30. В настоящее время общепризнанными являются два основных метода получения ЧВГ: модифицированием магнием и модифицированием РЗМ. Несомненно, со-

став лигатуры, история получения ЧВГ и наличие легирующих элементов и примесей внесут существенные изменения в диаграммы распада аусте-нита, но тем не менее, первоначальные выводы для одного из основных способов получения ЧВГ можно будет сделать, имея диаграмму изотермического распада аустенита для нелегированного ЧВГ, модифицированного РЗМ. Задачей работы было построение диаграммы изотермического распада аустенита для ЧВГ, модифицированного РЗМ, довольно простого состава.

Изучение последовательности и кинетики распада аустенита

Чугун выплавляли на шихте из ЛКР-3 в дуговой электропечи. Первичное модифицирование проводили лигатурой ФС 30 РЗМ 30 в количестве 0,8% от массы жидкого металла на дно ковша. Температура модифицирования составляла 1430 °С. Металл выдерживали 3 минуты, после чего скачивали шлак. Вторичное модифицирование проводили в ковше ферросилицием ФС-75, который вводили на зеркало металла в количестве 0,7% от массы расплава. После полного растворения ферросилиция чугун заливали в формы при температуре 1390-1420 °С. Опытные образцы отливали либо в виде цилиндров диаметром 60 мм и длиной 260 мм (с прибылью), либо трефовидной формы стандартных размеров по ГОСТ 7293-70.

Состав полученного чугуна: 3,35 -3,39%С, 3,4-3,7%^, 0,6-0,8%Mn, 0,006%^, 0,066%P, до

0,010%Mg, 0,04-0,05% РЗМ. Критические точки: Ас1н 770-775 °^ Ас1к 890-900 °С

В исходном состоянии чугун имеет феррито-пер-литную структуру матрицы (10...20% перлита). Графит формы Гф5,6, содержание шаровидного графита формы Гф 12,13 не более 10%. Перлит располагается в виде узких областей по границам эвтектических зерен (рис.1). Механические свойства составляют: Св до 400 МПа, 5 до 2%, НВ 207.228, КС до 20Дж/см2. Эвтектические границы обогащены углеродом и марганцем; кремний располагается по схеме обратной ликвации, т.е. обогащает центральные участки эвтектических зерен. Однако вследствие значительной разветв-ленности графитных включений в данном чугуне обогащенные кремнием ферритные области, формирующиеся вокруг графита, также имеют значительную протяженность.

Изотермический распад аустенита изучали с помощью анизометра Акулова по обычной методике и с помощью метода пробных закалок: образцы размером 10х10х10 мм нагревали до температуры 910 °С, выдерживали 10-20 минут, быстро переносили в другую печь с необходимой температурой изотермы, выдерживали 10, 20, 30, 60, 90, 120 минут и калили в воде. Химическую неоднородность изучали методом цветного травления пикратом натрия (ликвация кремния) и микро-рентгеноспектральным анализом на установке MS 46 (кремний, углерод, железо, марганец, сера, фосфор).

Кривые изотермического распада аустенита в данном ЧВГ имеют два максимума распада: в диффузионной и в промежуточной областях (рис. 1).

В диффузионной области распад при температуре 600 °С начинается через 10 с после достижения температуры изотермы, при 550 и 500 °С - практически сразу. Поэтому получение 100% бейнит-ной структуры в данном чугуне невозможно. Некоторое торможение распада происходит при температуре 450 °С. В промежуточной области распад начинается практически сразу по достижении температуры изотермы, что делает невозможной полную закалку с получением мартенсита для такого ЧВГ. Бейнитное превращение происходит при температурах 430-340 °С.

Микроструктура данного ЧВГ после диффузионного распада представляет собой ферри-то-перлитную структуру, с расположением перлита по эвтектическим границам. Сосредоточение перлита преимущественно по эвтектическим границам свидетельствует, во-первых, о том, что аустенизация при 910-920 °С в течение 5 минут недостаточна для полного снятия пересыщенно-сти эвтектических границ. Кроме того, в процессе охлаждения до температуры изотермы и превращения аустенита в нелегированном ЧВГ, очевидно, успевает произойти некоторое обратное перераспределение элементов.

ЦШп^^\т ' гтштггтпп

"гттгаттпгптпг

2 3 4 5 1 0 2 0 50 100 200 5 00 1 03 5х103 104

время, с

Рис. 1. Диаграмма изотермического распада ЧВГ

Перлитные области по эвтектическим границам имеют форму узких участков с вогнутыми краями, аналогичную форме участков аустенита, образовавшихся при нагреве. Перлито-трооститные участки в феррите имеют узкую форму и соответствуют путям диффузии углерода, происходившей в ЧВГ при нагреве. Наличие этих участков, равномерно перемешанных в структуре с низкоуглеродистыми и высококремнистыми ферритны-ми участками, приводит к повышению однородности структуры в пределах каждого эвтектического зерна и является предпосылкой повышения механических свойств чугуна при термической обработке. Температуры изотермического превращения 550-500 °С являются температурами перехода от диффузионного к промежуточному типу распада. Распад аустенита начинается с выделения феррита и завершается образованием ферри-то-карбидной смеси трооститного типа. Пересы-щенность эвтектических границ сохраняется.

Сохраняющееся даже при температурах аустени-зации пересыщение эвтектических границ углеродом приводит к некоторому торможению превращения аустенита по эвтектическим границам. Таким образом, в данном ЧВГ затруднена изотермическая закалка, а получение мартенситной структуры в реальных отливках вообще маловероятно. Частично сохраняющаяся при аустениза-ции пересыщенность эвтектических границ фосфором и углеродом приводит к торможению распада аустенита по границам. Мартенсит в этих участках может образоваться при быстром охлаждении. Наличие к началу превращения обогащенного и обедненного аустенита облегчает начало распада и уменьшает инкубационный период.

В исходном состоянии преобладающей структурой матрицы является феррит и нет значительного пересыщения кремнием околографитных участков, как в магниевом ЧВГ; поэтому и при охлаждении феррит выделяется более равномерно. Так как в процессе нагрева исходная химическая неоднородность несколько уменьшается [2],

700

600

О

'О

,

500

С1А

хв

ре400

1Ш

300

то в структурах изотермического распада наблюдается сужение пересыщенных зон (в данном чугуне - зон по эвтектическим границам). Сложный характер кривых распада объясняется сложным химическим составом чугуна: наличием карбидообразующих и редкоземельных элементов.

Образование в результате диффузионного распада смешанной структуры, состоящей из мелких игольчатой формы участков сорбита или троости-та (высокоуглеродистых) и феррита (низкоуглеродистых) дает повышение прочности, ударной вязкости и пластичности чугуна.

Литература

1. Петриченко А.М., Солнцев Л.А. Повышение

свойств магниевого чугуна // «Высокопрочный чугун с шаровидным графитом». - К.: «Наукова думка», 1971. - С. 77-78.

2. Шовкун А.Н. Термокинетические диаграммы

распада аустенита чугуна // Научные труды УСХА. - К., 1973. - Вып. 87. - С. 259-264.

3. Костина Л.Л., Солнцев Л.А., Савон А.И. О фа-

зовых и структурных превращениях в чугуне с вермикулярным графитом при нагреве: Известия АН СССР. Металлы. - 1983. - №2. - С.93-94.

4. Костина Л.Л. Изотермический распад аустени-

та в магниевом чугуне с вермикулярным графитом: Известия вузов. - 2006. - №1. -С.45-47.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 29 мая 2006 г.