Механизм кристаллизации высокопрочного чугуна

УДК 621.74.

МЕХАНИЗМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

Р.Н. Зенкин

Рассмотрены несколько случаев зарождения первичных шаровидных включений графита при эвтектической кристаллизации в высокопрочном чугуне.

Ключевые слова: модифицирование, графитизация, микрослитки, кристаллизация, эвтектика.

При введении в чугун перед разливкой 0,5 % магния или церия графит кристаллизуется в шаровидной или близкой к нему форме. Этот процесс называется модифицированием. Шаровидный графит в меньшей степени, чем пластинчатый, ослабляет сечение металлической матрицы и, главное, не является таким сильным концентратором напряжений. Это обстоятельство в сочетании с возможностью формировать необходимую структуру металлической матрицы позволяет придавать чугунам высокую прочность, пластичность и повышенную ударную вязкость.

Чугуны с шаровидным графитом, используемые в промышленности с 40-х годов, называют высокопрочными и, в соответствии с ГОСТ 729385, маркируются буквами ВЧ, за которыми следует число, указывающее значение временного сопротивления при растяжении в МПа 10-1 (например, ВЧ 50).

Сдаточными (гарантируемыми) характеристиками высокопрочных

чугунов являются и , а при наличии требований в нормативнотехнической документации допускается устанавливать значения относительного удлинения 5, твердости НВ и ударной вязкости КСУ в соответствии с нормами, указанными в ГОСТ 7293-85. Марки и характеристики механических свойств высокопрочных чугунов приведены в табл. 1, а рекомендуемый химический состав - в табл. 2. Во всех чугунах марок ВЧ содержание углерода практически одинаковое и высокое (Сэ - 4,1 -4,3), что обеспечивает хорошие литейные свойства. Примесь фосфора из-за образования хрупкого фосфида снижает пластичность, поэтому его содержание не превышает 0,1 %. Особенно вредна сера, так как она снижает механические свойства (из-за образования с магнием и редкоземельными металлами хрупких сульфидов) и ослабляет модифицирующее действие этих элементов. Содержание серы не должно превышать 0,02 %, а в чугунах марок ВЧ 80 и ВЧ 100 - 0,01 %.

Механические свойства высокопрочных чугунов зависят в основном от структуры металлической основы. Чугуны марок ВЧ 35, ВЧ 40 имеют ферритную основу, ВЧ 45 и ВЧ 50 - перлитно-ферритную, ВЧ 60,

ВЧ 70, ВЧ 80 - перлитную. Требуемая структура металлической основы формируется в процессе литья и последующей термообработки. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом используют для замены литой стали в изделиях ответственного назначения (валки горячей прокатки, станины и рамы прокатных станов, молотов и прессов). По сравнению со сталью они обладают несравненно более высокими литейными свойствами и на 8-10 % меньшей плотностью (последнее позволяет снизить массу машин). Даже поковки ответственного назначения из легированных сталей можно заменять на отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Классический пример этого - тяжелонагруженные коленчатые валы дизельных, в том числе автомобильных двигателей, к которым предъявляют высокие требования по статической и усталостной прочности.

Таблица 1.

Марки и характеристики механических свойств высокопрочных

чугунов

Марки чугуна 0 в ,МПа (кгс/мм2) : МПа (кгс/мм2) 5,% НВ

не менее

ВЧ35 350.(35) 220 (22) 22 140-170

ВЧ40 400 (40) 250 (25) 15 140-202

ВЧ45 450 (45) 310(31) 10 140-225

ВЧ50 500 (50) 320 (32) 7 153-245

ВЧ60 600 (60) 370 (37) 3 192-277

ВЧ70 700 (70) 420 (42) 2 228-302

ВЧ80 800 (80) 480 (48) 2 248-351

ВЧ 100 1000(100) 700 (70) 2 270-360

^Примечание. Чугун марки ВЧ 35 с шаровидным графитом должен иметь среднее значение ударной вязкости КСУ не менее 21Дж/см2 при температуре плюс 20 °С и 15 Дж/см2 при температуре минус 40 °С, минимальное значение ударной вязкости должно быть не менее 17 Дж/см2 при температуре плюс 20 °С и 11 Дж/см2 при температуре минус 40 °С.

В обычных серых чугунах эвтектический распад жидкой фазы происходит в условиях контакта между жидкостью и обеими твердыми фазами эвтектики, в высокопрочном чугуне жидкость отделена от графита сплошным слоем второй твердой фазы [1-3].

Несмотря на многократную проверку опытных данных, значительное распространение получила гипотеза о росте шаровидных графитных включений за счет графитизации эвтектического цементита, образующегося при затвердевании магниевого чугуна [4-9]. Предполагалось

193

[10], что магний тормозит процесс выделения графита при кристаллизации чугуна, вследствие чего чугун затвердевает белым. Благодаря высокому содержанию кремния цементит является малоустойчивым и распадается ниже эвтектических температур. Рост шаровидных графитных включений происходит на межфазной поверхности аустенит - цементит.

Таблица 2.

Рекомендуемый химический состав (масс. %) высокопрочных

чугунов

Марка чугуна С* 81* Мп Р 8 Сг Другие

не более

ВЧ35 3,3-3,8 1,9-2,9 0,2-0,6 0,1 0,02 0,05 -

ВЧ 40 3,3-3,8 1,9-2,9 0,2-0,6 0,1 0,02 0,1 -

ВЧ 45 3,3-3,8 1,9-2,9 0,3-0,7 0,1 0,02 0,1 -

ВЧ50 3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 0,1 0,02 0,15 -

ВЧ 60 3,2-3,6 2,4-2,6 0,4-0,7 0,1 0,02 0,15 0,3Си; 0,4 N1

ВЧ 70 3,2-3,6 2,6-2,9 0,4-0,7 0,1 0,015 0,15 0,4Си; 0,6 N1

ВЧ 80 3,2-3,6 2,6-2,9 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15 0,6Си; 0,6 N1

ВЧ 100 3,2-3,6 3,0-3,8 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15 0,6Си; 0,8 N1

*Для отливок с толщиной стенок до 50 мм; для стенок большего се-

чения рекомендовано меньшее содержание углерода и кремния.

Первоначальные теории образования графита в сером чугуне отрицали возможность кристаллизации графита из жидкого раствора без предварительного образования цементита, несмотря на экспериментально установленный факт кристаллизации графито-аустенитной эвтектики.

Противоречивость в развитии теории образования графита как пластинчатого, так и шаровидного в известной мере обусловлена сложным характером процессов, происходящих при затвердевании высокоуглеродистых железных сплавов. При затвердевании может происходить распад жидкого раствора на аустенит и графит, образование аустенито-цементитной эвтектики, а также графитизации цементита. Причем перечисленные процессы в условиях непрерывного охлаждения могут накла-

дываться друг на друга.

В случае магниевого чугуна картина дополнительно осложняется из-за повышения склонности расплава к переохлаждению при кристаллизации.

Степень переохлаждения является одним, из важнейших факторов, определяющих механизм и кинетику фазовых переходов. Оценивая известный факт существенного переохлаждения жидкого раствора при эвтектическом превращении в модифицированном чугуне, одни исследователи считают, что определенное переохлаждение является необходимым условием образования шаровидного графита; другие, напротив, отрицают какую бы то ни было роль переохлаждения при образовании включений графита шаровидной формы. Существует мнение, что, изменяя переохлаждение жидкого чугуна, можно получать при затвердевании различные формы эвтектического графита, в том числе и шаровидный.

Изучение изотермической кристаллизации позволяет опытным путем оценить роль переохлаждения расплава в процессе образования графита, дает возможность путем построения диаграммы изотермической кристаллизации, систематизировать многочисленные данные о механизме структурообразования при отвердевании, определить последовательность фазовых переходов, объяснить ряд особенностей структуры чугунных отливок .

Для сведения к минимуму эффекта массы в качестве образцов при исследовании применяли микрослитки из высокопрочного чугуна эвтектического состава (4 %С; 1,9 %81; 0,056 %Mg), которые расплавлялись в запаянных кварцевых ампулах диаметром 1 мм. После нагрева до 1300 °С ампулы переносили в соляную ванну, где выдерживали при 1120-980°С и закаляли в соленой воде. Время выдержки варьировалось в пределах от 1 сек. до 1,5 мин. Температура соляной ванны контролировалась двумя термопарами (размещенными в ванне и в зоне нагрева), которые были присоединены к самопишущим потенциометрам. Это давало возможность поддерживать постоянную температуру ванны в пределах ± 2-3°С. Скорость охлаждения ампул при закалке составляла не менее 1000 °С в 1 сек. и гарантировала превращение жидкого раствора в тончайший ледебурит, легко отличимый от всех других структурных составляющих. Закаленные микрослитки монтировались в плексигласовые обоймы и подвергались микроскопическому анализу. По результатам анализа определялось время начала выделения графита, аустенита и цементита, время окончания кристаллизации чугуна. По результатам опытов была построена диаграмма изотермической кристаллизации магниевого чугуна (рис, 1). Штриховая линия описывает начало появления первых микроскопически определимых включений графита, штрихпунктирная линия отвечает началу кристаллизации аустенита, пунктирная - началу кристаллизации цементита. Сплошной линией показано время завершения затвердевания чугуна при различ-

ных переохлаждениях.

Рис. 1.Диаграмма изотермической диаграммы высокопрочного чугуна

В зависимости от последовательности фазовых переходов температурную область затвердевания магниевого чугуна можно разбить на три интервала.

I интервал, нижняя граница которого проходит при 1090 °С. Здесь кристаллизация

Рис. 2. Структура, образующаяся при затвердевании высокопрочного

чугуна в 1 интервале

начинается с появления шаровидных графитных включений (рис.2,а), по мере роста которых начинается выделение эвтектического ау-стенита, растущего в виде концентрических оболочек вокруг графитных включений и в виде дендритов (рис.2, б). Эвтектическая кристаллизация чугуна при температурах первого интервала завершается в течение 50-90 сек. без образования цементита (рис.2, в).

II интервал, в котором при затвердевании формируются структуры половинчатого высокопрочного чугуна, располагается между температурами 1010 и 1090 °С. Кристаллизация чугуна в этом интервале начинается с появления тонких дендритов аустенита (рис.3, а). Вслед за этим возникают шаровидные графитные включения, которые обволакиваются аусте-нитом и растут с утолщением аустенитных оболочек (рис.3, б). Затвердевание завершается появлением грубозернистой аустенито-цементной эвтектики (рис.3,в). При этом в условиях высоких температур (1080-1090 °С) цементита образуется мало. С понижением температуры количество карбидной эвтектики возрастает. Начиная с 1040 °С и ниже порядок выделения фаз меняется. Кристаллизация снова начинается с образования аусте-нита, однако вслед за этим выделяются колонии карбидной эвтектики (рис.4,а) и в последнюю очередь появляются графитные включения в аустенитных оболочках (рис.4,б). Графитные включения в этот период могут расти за счет углерода жидкости и цементита, поскольку при рассматриваемых температурах обе фазы метастабильны, однако процесс растворения цементита играет, по-видимому, второстепенную роль.

Рост графита за счет углерода цементита продолжается и после окончания затвердевания чугуна, однако проходит он медленно. Как видно из диаграммы (см. рис.1), на которой нанесена линия окончания графитизации цементита НХ, завершение графитизации при данной температуре требует длительных выдержек по сравнению со временем затвердевания.

Рис.3. Структура, образующаяся при затвердевании высокопрочного

чугуна в 2 интервале

В III интервале температур (ниже 1010 °С) формируется структура белого чугуна. Кристаллизация начинается с практически одновременного выделения аустенита и цементита и завершается в короткий промежуток времени.

Рис.4. Структура, образующаяся при затвердевании высокопрочного

чугуна в 3 интервале.

По аналогии с немодифнцированным чугуном можно предположить, что в условиях больших переохлаждений затвердевание начинается с образования кристаллов цементита.

Анализ диаграммы изотермической кристаллизации высокопрочного чугуна показывает, что рост шаровидного графита происходит в результате эвтектического распада жидкого раствора.

Сопоставляя кривые охлаждения образцов магниевого чугуна, содержащего 3,0-3,17 % С и 1,89-2,05 % Si, Олдфилд и др. можно придти к выводу, что кристаллизация высокопрочных чугунов идет при температурах, когда белые чугуны затвердевать не могут.

Таким образом, процесс образования шаровидного графита несвязан с обязательным предварительным выделением и графитизацией цементита. Графитные включения растут в основном в процессе эвтектического распада жидкого раствора, будучи изолированы от жидкости прослойкой аустенита. Рост осуществляется за счет углерода, диффундирующего из жидкой фазы, но мере эвакуации от поверхности графита, атомов, входящих и состав аустенита, прежде всего атомов железа и кремния. Графитные включения в аустенитных оболочках растут замедленно, но сравнению с ростом графита в эвтектических колониях обычного чугуна. Это приводит к увеличению переохлаждения жидкого раствора при кристаллизации, повышению склонности магниевого чугуна к отбеливанию. Для высокопрочного чугуна характерен широкий температурный интервал формирования половинчатых структур (см. рис.1), в то время как при изотермической кристаллизации серого чугуна этот интервал значительно сужается. Следует добавить, что увеличение переохлаждения, достигаемое другими путями,- например, ускорением охлаждения отливки - должно также способствовать развитию аномальной эвтектической кристаллизации, так как оно приводит к росту линейной скорости кристаллизации аустенита.

Рост графитных включений в аустенитных оболочках, естественно, накладывает отпечаток не только на кинетику кристаллизации магниевого чугуна, но и на конечную форму графитных включений. В частности, это проявляется в возникновении огранки, особенно четко наблюдаемой в крупном шаровидном графите, во взаимосвязи между внешней формой включений и зернистой структурой окружающей их металлической матрицы .

При объяснении механизма формирования шаровидного графита необходимо также учитывать условия их зарождения. Известно, что уже в первые моменты свободного роста (без аустенита) графитные включения в магниевом чугуне имеют шаровидную форму (см. рис.2,а) и радиальнолучистое строение.

Возможно, что шаровидные зародыши графита образуются в микроскопических газовых пузырьках. По-видимому, в процессе образования зародышей графита известную роль играет отступление от полной молекулярной смешиваемости в малоперегретых сплавах эвтектического типа. В чугунах это явление приводит к образованию значительных ассоциаций атомов углерода в жидком расплаве. В обычном чугуне описываемые флюктуации углерода могут стать зародышами графита лишь в условиях определенного переохлаждения. В чугуне, содержащем газовые поры, заполнение последних углеродом из флуктуационных объемов может приводить к образованию многочисленных зародышей графита даже выше температур ликвидуса. Например, мельчайшие шаровидные включения графита наблюдались в капельках магниевого чугуна, закаленных от температур выше ликвидуса.

Во всех случаях влияние механизма зарождения первичных шаровидных включений графита на характер эвтектической кристаллизации в высокопрочном чугуне весьма велико. Поверхность таких включений ограничена плоскостями базиса, что замедляет их рост и способствует образованию сплошных аустенитных оболочек при эвтектической кристаллизации.

Список литературы

1. Danphu Д., Pelleni W. Г «Foundry». 80, 1, 1952.

2. Hudhes S. «Foundry Frage J.» № 1882, 1883, 1951.

3. Бунин К. П., Таран Ю. Н. Сборник трудов Днепропетровского металлургического института. Выпуск 33, Гостехиздат УССР, 1954.

4. Мильман Б. С. «Вестник машиностроения», № 12, 1949. 1

5. De Sy. «Foundry», 37, 1947.

6. Morrogh Н, William W. «Journal Iron steel Inst», 155, 1947.

7. Василенко А. А., Григорьев И. С. Модифицированный чугун, Гостехиздат, К., 1950.

8. Morrogh Н. «Journal Iron Steel Inst», 176, № 1, 1954.

9. Ващенко К. И., Софрони Л. «Литейное производство», № 11,

1955.

10. Ващенко К. И., Софрони Л. Магниевый чугун. Машгиз, М.-К.,

1960.

Зенкин Руслан Николаевич, аспирант, z002en@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.

CRYSTALLIZA TIONMECHANISM OF DUCTILE IRON

R.N. Zenkin

We consider several cases of the origin of the primary nodule at the eutectic crystallization in ductile iron.

Key words: modification, graphitization, mikroslitki, crystallization, eutectic.

Zenkin Ruslan Nikolaevich, postgraduate, z002en@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 681.5

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ С ЧПУ

Е.В. Сидорчик

В статье рассматривается возможность повышения качества управляющих программ посредством внесения в них корректировок на технологическом этапе программирования обработки. Отличительной чертой такой адаптивной системы управления является корректирование приводов исполнительных рабочих частей станка по текущей информации о подконтрольных процессах и значениях параметров обработки.

Ключевые слова: станок с числовым программным устройством, адаптивное регулирование, автоматическое управление процессами, повышение эффективности.

Введение и постановка задачи исследования. Технологический этап программирования обработки детали или заготовки на станке с числовым программным управлением (ЧПУ) зачастую состоит из нескольких операций. Каждая операция программного кода - часть технологического процесса, содержащая одну или несколько установок. Установка в свою очередь состоит из переходов - частей операции, которые характеризуются неизменностью обрабатываемой поверхности, режущего инструмента и

200