Влияние формы графита на термическую стойкость чугуна

УДК 669.131.7

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ГРАФИТА НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТОЙКОСТЬ ЧУГУНА

С.И. Бондаренко, доцент, к.т.н., И.П. Гладкий, профессор, к.т.н.,

ХНАДУ

Аннотация. Приведены результаты исследования термостойкости чугунов с разной формой графита при термоциклировании в интервале температур 20°-600°С. Показано, что самую высокую термостойкость имеет чугун с вермикулярным графитом, что делает его перспективным материалом для изготовления головок цилиндров дизельных двигателей.

Ключевые слова: чугун, пластинчатый графит, шаровидный графит, вермикулярный графит, термостойкость, трещина, головки цилиндров.

Введение

Режимы работы головок цилиндров автомобильных и тракторных дизельных двигателей непрерывно ужесточаются, приводя к повышению тепловых и механических нагрузок. При этом решающую роль играют термические напряжения, в связи с чем проблема повышения термостойкости головок является весьма актуальной.

В качестве материала отливок головок цилиндров как у нас в стране, так и за рубежом, используются серые чугуны с пластинчатым графитом, нелегированные и легированные, а также чугуны с вермикулярной и шаровидной формой графита. Сопротивление чугунов разрушению при термоциклировании во многом определяется формой, количеством и характером распределения графитных включений.

Анализ публикаций

Серые чугуны с пластинчатым графитом (Ч1II ) имеют низкие прочностные и пластические свойства, высокую чувствительность к толщине стенки отливки, что должно уменьшать их термостойкость. В то же время они обладают повышенной теплопроводностью, что

способствует уменьшению термических напряжений и повышению термостойкости [1].

Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) обладает высокой прочностью, стабильной структурой, в то же время он имеет пониженную теплопроводность и высокий модуль упругости,

что приводит к значительным термическим напряжениям. Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) занимает по своим свойствам промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ По физическим и технологическим свойствам он близок к ЧПГ, а по механическим - к ЧШГ [1].

Изучению термостойкости чугунов с различной формой графита и структурой металлической основы в последнее время уделяется большое внимание, но единого мнения о механизме разрушения чугуна и влиянии формы графита на теплостойкость нет. В качестве термостойкого материала в одних случаях предлагают ЧПГ, подвергнутый легированию для повышения прочностных свойств, в других - ЧШГ или ЧВГ. Одни исследователи считают, что наивысшей термостойкостью обладает ЧШГ, а ЧВГ занимает промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ [2], другие отдают предпочтение ЧВГ [3, 4].

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы было исследование термостойкости чугунов с пластинчатой, вермикулярной и шаровидной формой графита в условиях, максимально приближенных к работе головок цилиндров двигателей СМД.

Необходимо было разработать способы модифицирования, позволяющие стабильно получать чугун с требуемой формой графита, а также методику определения термостойкости.

Определение термостойкости чугунов

Выплавленные чугуны имели идентичный мас.): 3,28-3,3С; 2,73-2,9 Si; 0,5-0,65 Мп; 0,03-0,04

химсостав, отличаясь в основном по количеству Сг; 0,011-0,013 S; 0,066-0,07 Р. Чугуны плавок 0,

магния. Содержание элементов составляло (% 1, 2 и 3

Таблица 1 Условия проведения плавок , микроструктура чугунов и результаты испытаний

на термостойкость

£ 3 4 е к о в Способ модифицирования Тип чугуна Микроструктура Количеств о циклов до разрушен ия

Модификатор Коли -чество, % Спо соб ввода Графит Количество, %

перлита феррит а

0 Mg гранулированный 0,15 в форму ЧПГ Гф1, Граз 180 гф2, Граз 180 99 95 1 5 486 343 456

1 ЖКМ2(80%)+ ФСЗ0РЗМБ(10%) Mgгран.(10%) 2,4 в форму ЧШГ Гф13,12(97%),Граз 25 Гф6 (3%), Граз 90 15 85 1556

2 РЗМ+ ЖКМ-2 0,4 1,0 в ковш в форму ЧШГ Гф 13, 12; Граз25 15 85 1123 968

3 РЗМ+ +А1 ЖКМ-2 0,4 0,04 1,0 в ковш в ковш в форму ЧВГ Гф6 (80%), Граз 90 Гф13,12(20%), Граз 25 20 80 2500 2420

содержали до 0,01 %; 0,035 %; 0,026 % и 0,01% Mg соответственно. В чугуне плавки 3 содержалось

0,03 % А1.

Для модифицирования применяли магний гранулированный, лигатуры ЖКМ-2 и ФСЗОРЗМЗОВ (табл. 1).

Форма графита изменялась от крупно плас тинчатой в чугуне плавки 0 до шаровидной (плавки 1,2) и преимущественно вермикулярной.

Металлографическое исследование не выявило каких-либо изменений структуры образцов после термоциклирования. В продольном сечении образцов всех плавок, кроме плавки 0, наблюдается значительное количество радиальных трещин, полностью заполненных оксидами (рис. 1). Было изучено количество, длина и распределение трещин в чугунах разных плавок.

(плавка 3). Структура металлической основы чугуна плавки 0 представляла собой перлит, плавок 1, 2, 3 - феррит + перлит.

Испытания на термостойкость производились на защемлённых цилиндрических образцах диаметром 8 мм, нагреваемых непосредствен ным пропусканием электрического тока, в интервале температур 20°С - 600°С. Охлаждение образцов осуществлялось в воде.

Термостойкость оценивалась по числу циклов до разрушения. После испытаний одна из половинок всех разрушенных образцов под вергалась металлографическому исследо ванию в продольном сечении.

Было установлено, что самую низкую термо стойкость имеет чугун плавки 0 с пластинчатым графитом (табл.1). Чугуны с преимущественно шаровидной формой графита плавок 1 и 2 выдерживали до разрушения в 2,5 - 3,5 раза больше циклов, чем ЧПГ. Наибольшую термостойкость обнаружил чугун плавки 3 с преимущественно вермикулярной формой графита (80% ВГ + 20% ШГ), у которого число циклов до разрушения почти в 6 раз выше, чем у ЧПГ.

а

б

Рис. 1. Распространение трещин в чугунах с вермикулярным (а) и шаровидным (б) графитом; х100

В ЧВГ трещины в основном проходят по графитным включениям и в меньшей степени по матрице (рис.1а). В ЧШГ большая часть длины трещин приходится на металлическую основу (рис.1 б).

Наибольшее число трещин наблюдается в чугунах плавок 1 и 2 (39 и 33 соответственно), несколько меньше в образце плавки 3 (27) и практически не обнаруживаются трещины в образце ЧПГ (плавка 0) кроме той или тех, которые привели к разрушению.

Отсутствие трещин в образце ЧПГ, вероятно объясняется тем, что несмотря на минимальные термические напряжения за счет повышенной теплопроводности, из-за неблагоприятной формы графита скорость распространения трещин настолько велика, что первые же трещины приводят к разрушению образцов после небольшого числа циклов.

Наименьшие величины средней и максимальной длины трещин имеют место в образцах ЧШГ плавки 2, что связано с малой скоростью распространения трещин, обусловленной шаровидной формой графита. Более низкая термостойкость ЧШГ по сравнению с ЧВГ связана с большей величиной тепловых напряжений и более неравномерным их распределением (расстояние между трещинами колеблется от 0,15 до 3 мм) в результате пониженной теплопроводности.

Следует отметить, что наибольшее количество трещин, максимальное значение средней длины трещин (0,42 мм) и наиболее протяженная зона распространения трещин по длине образца (14,25 мм) наблюдается у образца ЧШГ с небольшим количеством вермикулярного графита (плавка 1). Это можно объяснить тем, что благодаря низкой теплопроводности и большим термическим напряжениям, отдельные трещины, возникающие у включений вермикулярного графита, растут быстрее других. Это подтверждается наличием в образце одной аномально длинной трещины (3,3 мм).

Несмотря на наибольшую длительность испытаний, в образце из ЧВГ наблюдается меньшее количество трещин, чем в образце из ЧШГ, наиболее равномерное их распределение по длине образца, наименьшая протяженность поврежденной трещинами зоны (10 мм). Средняя длина трещин вдвое больше по сравнению с ЧШГ (плавка 2), но меньше, чем у образца плавки 1 (ШГ + ВГ), несмотря на большее число циклов у образца ЧВГ. Все это свидетельствует о том, что вследствие повышенной теплопроводности в образцах ЧВГ термические напряжения в данных условиях испытаний гораздо меньше и они распределяются более равномерно, чем в образцах ЧШГ. Этим, очевидно, и объясняется более высокая (в 2 раза) термостойкость ЧВГ по сравнению с ЧШГ, несмотря на более высокую прочность ЧШГ.

Выводы

На основании результатов исследования можно сделать следующие выводы:

1. В ЧПГ, благодаря наличию пластинчатого графита, скорость распространения трещин в условиях термоциклирования настолько велика, что уже первые трещины приводят к разрушению чугуна, несмотря на меньший уровень термических напряжений вследствие повышенной теплопроводности.

2. Чугун с вермикулярным графитом в условиях принятой схемы нагружения имеет в 2 раза большую термостойкость, чем ЧШГ и в 6 раз большую, чем ЧПГ, что объясняется его более высокой теплопроводностью и меньшим уровнем термических напряжений по сравнению с ЧШГ и меньшей скоростью распространения трещин по сравнению с ЧПГ.

3. Можно предположить, что наличие небольшого количества вермикулярного графита в ЧШГ, мало влияя на его теплопроводность, может способствовать ускоренному развитию отдельных трещин и тем самым снижать термическую стойкость

чугуна.

4. Благодаря высокой термостойкости наиболее перспективным материалом для изготовления головок цилиндров автомобильных и тракторных дизельных двигателей является чугун с вермикулярным графитом.

Литература

1. Справочник по чугунному литью / Под ред.

Гиршовича Н.Г. Изд. 3-е, перераб. и доп. - Л.:

Машиностроение, 1978. - 758 с.

2. Riposan. Сопротивление окислению и

термостойкость чугуна с различной формой

графитных включений // 46th International Foundry Congress. - 1984. - №38. - С. 51-55.

3. Попов П.И. Теплостойкость чугунов с различной

структурой металлической основы и

графита // Металлургия. - 1983. - №17. - С. 15-18.

4. Краевой В.И. Повышение термической стойкости чугуна // Материаловедение в машиностроении. - 1983. - №17. - С. 38-42.

Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н.,

ХНАДУ

Статья поступила в редакцию 7 июля 2006 г.