Влияние термомеханического упрочнения на изменения микроструктуры поверхностного слоя специального легированного чугуна

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СПЕЦИАЛЬНОГО ЛЕГИРОВАННОГО ЧУГУНА

А.Н. Леоненко, научн. сотр., к.т.н., ХУ ВС, А.А. Павлюченко, доцент, к.т.н., НТУ «ХПИ», Б.В. Савченков, доцент, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Представлены результаты микроструктурного анализа поверхностного слоя образцов из специального легированного чугуна, используемого для изготовления гильз цилиндров двигателей ЯМЗ и КамАЗ, после термомеханического упрочнения материала.

Ключевые слова: термомеханическое упрочнение, поверхностный слой, сердцевина, металлическая основа, графитовые включения, мартенситная структура, степень деформации, износостойкость.

Введение

Задача изыскания новых эффективных технологий упрочнения рабочих поверхностей деталей для исследователей в области машиностроения постоянно представляет значительный интерес. Эта задача, несмотря на достаточно большое количество способов ремонта и окончательной обработки при изготовлении, остаётся актуальной и для гильз цилиндров автомобильных двигателей. Такой технологией, по нашему мнению, может быть совмещение в едином технологическом процессе термического и механического упрочняющего воздействия на рабочую поверхность чугунных гильз цилиндров, т.е. использование высокотемпературного термомеханического упрочнения [1].

Известно, что любой технологический процесс ремонта детали (агрегата) предусматривает не только восстановление нарушенных в процессе эксплуатации параметров, но и, главным образом, сдерживание тех разрушительных процессов, которые закономерно протекают в автомобиле и его элементах [2].

Анализ публикаций

Одним из преобладающих методов изучения этих процессов, структуры материала, её изменений при различных технологических воздействиях, а также качества упрочнения деталей, является металлографический [3]. Макро- и микроанализ металла изделий позволяет своевременно выявить дефекты, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надёжность деталей в работе. Поэтому контроль структуры производится на

всех этапах изготовления изделий, начиная от выплавки металла и заканчивая термической обработкой готовых деталей [4].

Для изготовления гильз цилиндров автомобильных двигателей, и дизельных в частности, применяется серый чугун. Его механические свойства, как известно, в значительной мере определяются структурным состоянием его металлической основы [5]. Для придания специальных свойств материал гильз легируют различными химическими элементами. По механическим свойствам используемые чугуны, как правило, близки к СЧ 18... СЧ 24 [6].

В настоящее время в качестве промышленной упрочняющей обработки для гильз цилиндров двигателей ЯМЗ и КамАЗ, изготавливаемых из специального легированного чугуна [1], применяется закалка токами высокой частоты (ТВЧ). В результате её проведения и последующего низкого отпуска в поверхностном слое рабочей поверхности глубиной до 1,0—1,5 мм формируется структура в виде бесструктурного мартенсита (допускается мелкоигольчатый мартенсит 3-5 баллов) с неориетированными включениями тон-копластин-чатого графита (рис. 1).

Поверхность зеркала гильзы приобретает твёрдость 42-50 HRC. Такое строение поверхностного слоя и твёрдость в указанном интервале считаются удовлетворительными для условий эксплуатации детали. Более глубокие слои детали имеют структуру исходного состояния, т.е. 90-95 % перлита и соответственно 5-10 % феррита, а также твёрдость исходного материала (179-241 НВ).

Рис. 1. Структура поверхностного слоя зеркала гильзы цилиндра после закалки ТВЧ

Однако ресурс данных двигателей при эксплуатации до 30 % ниже требуемого по ГОСТ 23465-79, и работоспособность гильз цилиндров в значении этого показателя имеет большое значение. Кроме того, обработка ТВЧ на глубину, большую предусмотренной техническими условиями на изготовление детали, может приводить к трещинообра-зованию. С этой точки зрения, термомеханическое упрочнение гильз цилиндров на глубину более 1,5-2,0 мм можно рассматривать как перспективное и в связи с тем, что оно, кроме того, позволит восстанавливать работоспособность детали для двигателей ЯМЗ и КамАЗ методом ремонтных размеров.

Микроструктурный анализ упрочнённого материала, проведенный многими исследователями [79], показывает: горячее пластическое деформирование аустенита способствует значительному измельчению мартенсита, что связано с протеканием самых начальных стадий рекристаллизации в деформированном аустените, приводящих к формированию ультрамелкого зерна с благоприятной дислокационной структурой.

В настоящее время теория и практика упрочнения серого чугуна располагает достаточным объёмом сведений о процессах структурообразования в условиях обычной закалки [9-11]. Что касается его термомеханической обработки, то сведения очень ограничены [12] и противоречивы.

Цель и постановка задачи

Целью металлографических исследований в данной работе было получение информации об изменениях, имеющих место в первичной литой структуре исследуемого чугуна при термомеханическом упрочнении, изучение формы и структуры зёрен, которые под воздействием горячей пластической деформации утрачивают свою равноосную форму.

Для её достижения решалась следующая задача -определить влияние оптимальных технологических параметров термомеханического упрочнения на изменения металлической матрицы мате-

риала и строение включений графита в поверхностном слое, определить глубину его упрочнения и сравнить эти характеристики с аналогичными у образцов, упрочнённых закалкой ТВЧ.

Методика проведения исследования

Для определения эффективности предлагаемой технологии упрочнения внутренней поверхности гильз, по сравнению с ныне применяемой, исследуемый чугун был принят и как контрольный, и как исследуемый. Для исследований были отобраны образцы, полученные из промышленных гильз двигателей ЯМЗ и КамАЗ, и упрочнённые по наиболее оптимальным (с точки зрения механических свойств и износостойкости [13]) режимам термомеханического упрочнения.

Для изучения микроструктуры отбирались пробы в произвольном сечении образцов, упрочнённых по обеим технологиям. По нашему мнению, это обеспечивает получение достаточной информации о неоднородности материала и позволяет сравнивать структуру и свойства чугуна после упрочняющих воздействий.

Предварительная подготовка образцов (вырезка и грубая шлифовка), их тонкая шлифовка и полировка проводились по стандартной методике. Подготавливаемые шлифы после каждой стадии обработки (в т.ч. промежуточных) промывались в этиловом спирте.

В качестве травителя был выбран 4%-ый спирто-вый раствор азотной кислоты. Данный травитель является одним из наиболее широко применяемых в металлографической практике: он хорошо выявляет микроструктуру углеродистых и низколегированных сталей в различном состоянии, а также обычных чугунов и ферросплавов [14]. Кроме того, такой травитель рекомендуется для более лёгкого выявления структуры после термообработки при 850-900 °С [3].

Травление осуществлялось путём погружения и нанесения капли. Продолжительность травления определялась степенью рельефа шлифа, обеспечивающей хорошие условия наблюдений при заданном увеличении.

Результаты исследования микроструктуры материала после термомеханического упрочнения

В исходном состоянии исследуемый специальный легированный чугун имеет перлитно-ферритную структуру с тонкопластинчатым графитом розет-чатого типа (с равномерно распределёнными включениями средних и мелких размеров в форме завихрённых или прямолинейных пластинок) (рис. 2). Такая структура исходного чугуна близка чугунам типа СЧ 25. СЧ 30.

Рис. 2. Форма графита исходного специального легированного чугуна

Выполненные в настоящей работе микрострук-турные исследования мартенситной структуры чугуна, упрочнённого исследуемым способом, показали, что после термомеханического упрочнения наблюдается значительное измельчение структуры поверхностного слоя (измельчение величины зерна) по сравнению с сердцевиной (рис. 3). Это объясняет повышение износостойкости образцов после исследуемого упрочнения по сравнению с образцами из гильз, изготовленных по стандартной промышленной технологии. Кроме того, в отличие от закалки ТВЧ, после которой сердцевина детали представляет перлитно-ферритную смесь, после термомеханического упрочнения сердцевина имеет мелкоигольчатую мартенситную структуру (рис. 3, б).

Более высокие значения микротвёрдости у образцов после термомеханического упрочнения [15] объясняются передачей субструктуры деформированного аустенита в мартенсит в процессе охлаждения. При этом мартенсит имеет высокодисперсную субструктуру с ячеистым расположением дислокаций. Это, как известно, позволяет совместить увеличение прочностных характеристик с повышением пластических свойств [7-9, 12].

Наличие графитовых включений в чугуне, содержание которых достигает 10 % по объёму, определяет многие его эксплуатационные свойства. Поэтому изменения в расположении графитовой фазы, происходящие при термомеханическом упрочнении, также представляют несомненный интерес.

При температурах деформирования в процессе термомеханического упрочнения прочность металлической основы сильно снижается, что создаёт условия для облегчения деформации графитовой фазы чугуна, которая в процессе высокотемпературной пластической деформации также подвергалась воздействию внешних сил. Поэтому при термомеханическом упрочнении чугуна происходит деформирование не отдельных пластических образований графита, а агрегата, состоящего из аустенитной матрицы и графитового скелета.

Деформация таких сложных образований сопровождается сжатием, изгибом и растяжением графитовых ответвлений, дроблением графитового скелета зерна с нарушением его непрерывности и перемещением графитовых включений в направлении течения металлической основы.

а

б

Рис. 3. Структура исследуемого чугуна (х650) после термомеханического упрочнения (Тдеф= 870 °С; X = 17 %; Тотп= 200 °С): а - поверхностный слой; б - сердцевина

Небольшие степени деформации, которым подвергался исследуемый чугун, заметного влияния на структуру графитовых включений не оказали. Однако, в результате пластического деформирования в поверхностном слое наблюдаются тонкие слои с изменением направленности графита вдоль усилий деформирования (рис. 3, а). В то же время, в плоскости, перпендикулярной деформирующему усилию, ориентированного расположения включений не происходит.

В результате такое расположение графитных включений, выходящих на поверхность, создаёт благоприятные условия для трения. Износостойкость материала детали повышается не только вследствие увеличения микротвёрдости матрицы, но также за счёт самого графита и удержания смазки в искусственно расположенных порах, образующихся в графитовом скелете (рис. 4).

Выводы

На основании данных металлографических исследований микроструктуры чугуна, подвергнутого термомеханической обработке по исследу-

емым режимам, установлено, что упрочнение материала при этом носит комплексный характер.

Рис. 4. Структура поверхностного слоя специального легированного чугуна

Под воздействием высокотемпературного упрочнения у исследуемого чугуна происходит деформационное разрушение первичной литой структуры. Микроскопически различимое изменение формы зёрен, измельчение продуктов закалки и раздробление мартенситных кристаллов наступает уже при небольших степенях деформации (X « 9-13 %). Деформация зёрен при высоких температурах в некоторой степени устраняет структурную неоднородность чугуна, что, очевидно, и способствовало повышению комплекса механических свойств.

В процессе термомеханического упрочнения при исследованных режимах имеет место некоторое раздробление графитных включений и образование тонких поверхностных слоёв с их ориентированным расположением, что положительно влияет на условия трения и износостойкость детали. Изменения в металлической и графитовой составляющих исследуемого чугуна при степенях деформации Х=15-18 % имеют наиболее положительный эффект.

При более высоких степенях деформации, очевидно, возникает более значительное ориентирование графитных включений и на большую глубину, что вызывает анизотропию свойств и является причиной снижения показаний износостойкости и значений комплекса механических свойств после вышеприведенных степеней деформации.

Литература

1.Леоненко А.Н., Цыбульский В.А. О возможности применения высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) для

упрочнения чугунных гильз цилиндров двигателей // Вестник ХГТУСХ. - Харьков: Изд-во ХГТУСХ.- 2004.- № 24. - С.220-224.

2. Справочник технолога авторемонтного про-

изводства / Под ред. Г.А. Малышева. - М.: Транспорт, 1977. - 432 с.

3. Беккерт М., Клемм Х. Способы металлогра-

фического травления // Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1988. - 400 с.

4. Богомолова Н.А. Практическая металлогра-

фия. - М.: Высшая шк., 1978. - 272 с.

5. Губкин С.И., Юшков А.В., Руденок П.П. Де-

формируемость серого и ковкого чугунов // Сб. науч. трудов ФТИ АН СССР. - Минск, 1955. - С.3-15.

6. ГОСТ 1412-85. Чугун с пластинчатым графи-

том для отливок. Марки.- Взамен ГОСТ 1412-79; Введ. 01.01.87. - М.: Изд-во стандартов, 1986. - 8 с.

7. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработ-

ка металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1968. - 1170 с.

8. Гуляев А.П., Ким-Хенкина А.М. Влияние со-

держания углерода, способа выплавки и термомеханической обработки на хрупкую прочность стали // МиТОМ. - 1969. - № 12.

- С.28-34.

9. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлур-

гия, 1986. - 542 с.

10. Бунин К.П., Малиночка Я.Н., Таран Ю.Н. Ос-

новы металлографии чугуна. - М.: Металлургия, 1969. - 415 с.

11. Металлография железа: В 2 т. / Пер. с англ.;

Под ред. Ф.Н. Тавадзе. - М.: Металлургия, 1972. - Т. 1: Основы металлографии. - 240 с.

12. Витензон С.И., Бажанов Л.М. ТМО высоко-

прочного чугуна // Литейное производство.

- 1974. - № 2. - С. 22.

13. Леоненко А.Н. Изменение износостойкости

деталей из чугуна после упрочнения высокотемпературной термомеханической обработкой // Вестник НТУ «ХПИ». - Харьков: Изд-во НТУ «ХПИ». - 2004. - № 24. - С.41-48.

14. Баранова Л.В., Дёмина Э.Л. Металлографиче-

ское травление металлов и сплавов: Справочник. - М.: Металлургия, 1986. - 256 с.

15. Савченков Б.В., Леоненко А.Н. Исследование

стабильности механических свойств специального легированного чугуна после его упрочнения ВТМО // Автомобильный транспорт. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. -2004. - Вып. 14. - С.44-47.

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

ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 22 июня 2006 г.