Совершенствование дендритной структуры серого чугуна с целью повышения его прочности
На правах рукописи
Палаткина Любовь Владимировна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРЫ СЕРОГО ЧУГУНА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ПРОЧНОСТИ Специальность 05.16.01 – - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2011 2
Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» Научные руководители: доктор технических наук, профессор КОСТЫЛЕВА Людмила Венедиктовна, заслуженный металлург РФ, доктор технических наук, профессор ИЛЬИНСКИЙ Владимир Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЕМЕЛЮШИН Алексей Николаевич кандидат технических наук, доцент ЗИНОВЬЕВ Юрий Александрович
Ведущая организация: ЗАО «Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь»»
Защита диссертации состоится «25» ноября 2011 г. в 1300 часов на заседании диссер тационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный техни ческий университет им. Р. Е. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП - 41, ул. Минина 24, корп. 1, ауд. 1258.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственно го технического университета им. Р.Е. Алексеева
Автореферат разослан «21» октября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, В.А. Ульянов доктор технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важнейшим направлением технического прогресса в машиностроении и одной из приоритетных задач современного металловедения является внедрение в производство материалов с повышенными свойствами, обеспечивающими конструкционную прочность деталей узлов и механизмов на протяжении всего заданного ресурса их эксплуатации.
В настоящее время удельное потребление в машиностроении серого чугуна остается преобладающим, он по-прежнему является основным конструкционным материалом в производстве корпусных изделий сложной геометрии, изготовление которых экономически целесообразно, а зачастую единственно возможно только из чугуна.
Вместе с тем традиционные решения по совершенствованию технологии вы плавки, внепечной обработки и легированию чугуна во многом уже исчерпали свои возможности дальнейшего обеспечения возрастающих требований к проч ностным свойствам этого материала. В то же время использование дополнитель ных резервов улучшения качественных характеристик чугунных отливок сдержи вается недостаточной изученностью закономерностей структурообразования в условиях смены механизмов кристаллизации и развития сложных микроликваци онных процессов, сопровождающих затвердевание чугуна.
Ответственность первичной структуры за основные качественные характери стики серого чугуна была отмечена в работах отечественных и зарубежных ис следователей. Но рекомендации регламентирующие е параметры (в связи с по лученными в данной работе результатами о степени и характере совместного участия составляющих первичной структуры в сопротивлении чугуна разруше нию) нуждаются в дополнении.
Актуальность темы диссертационной работы исходит из того, что решить проблему повышения прочности и сохранения качества чугунных отливок воз можно за счет подхода к чугуну как к аналогу композиционного материала с дис кретными волокнами. Роль упрочняющих волокон в чугуне, в первом приближе нии, выполняют первичные дендриты армирующие малопрочную эвтектическую матрицу. Предпосылки такого подхода были заложены в работах зарубежных и отечественных ученых: Н. Г. Гиршовича, Г. А. Косникова, И. А. Иоффе, В. Пат терсона и Г. Н. Троицкого;
развиты в исследованиях В. А. Ильинского, Л. В. Ко стылевой, А. А. Жукова и нашли признание в трудах Б. Н. Арзамасова и Р. Элли ота. В связи с этим изучение структуры чугуна в соответствии с основными требованиями композиционного упрочнения и поиск на этой основе новых тех нических решений по повышению прочности и сохранению качества чугунных отливок для современного машиностроения является актуальной задачей, которая имеет как научное, так и прикладное значение.
Материалы диссертации получены при выполнении исследований по НИР Фе дерального агентства по образованию 2004 – 2008 гг. и в рамках проекта Минобр науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009 – 2010 г.».
Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключалась в повыше нии прочности серого чугуна за счет усиления армирующей способности каркаса первичных дендритов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать новую методику для проведения анализа взаимодействия маги стральной трещины с элементами первичной структуры в чугуне.
2. Изучить взаимосвязь между прочностью отливок из серого чугуна и пара метрами его первичной структуры: объмной долей, строением и расположением относительно прилагаемой нагрузки первичных дендритов, дисперсностью ячеек эвтектики.
3. Изучить механизм формирования на ветвях дендритов первичного аустени та серого чугуна внешней оболочки с повышенным содержанием кремния пре пятствующей их обезуглероживанию и разупрочнению.
4. Разработать на основе исследования закономерностей структурообразова ния рекомендации по повышению прочности чугуна в отливках и провести опыт но-промышленное испытание их эффективности.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей совер шенствования дендритной структуры чугуна.
Установлены характерные виды взаимодействия магистральной трещины с первичными дендритами - отрыв, срез и отслоение эвтектической матрицы от дендритных ветвей. При этом показано, что доля дендритных ветвей, непосред ственно участвующих в работе разрушения чугуна путм их отрыва и среза, срав нительно невелика, но значительно (более чем в 1,5 раза) увеличивается в более прочных композициях. Ячейки эвтектической матрицы при взаимодействии с трещиной в равной мере разрушаются отрывом и срезом.
Показано, что хотя объмная доля дендритов в промышленных чугунах может изменяться в диапазоне от 15 до 65 об. %, прочность чугуна растет с увеличением количества дендритов только до 45 об. %. В чугунах с большей объмной долей дендритов при кристаллизации развивается их преимущественная ориентация в направлении теплоотвода и магистральная трещина распространяется вдоль дендритных ветвей путм отслоения эвтектической матрицы.
Установлен диапазон объмной доли дендритов (25 45 об. %), в пределах которого они наиболее эффективно упрочняют чугун. Показано, что повышение прочности чугуна вне этого интервала может быть достигнуто за счет увеличения дисперсности ячеек эвтектической матрицы.
Показано, что армирующая способность дендритного каркаса в композициях чугуна может быть повышена путм формирования под действием поверхностно активных элементов на ветвях дендритов внешней оболочки с повышенным со держанием кремния, которая препятствует их обезуглероживанию и разупрочне нию.
Практическая значимость. Разработана комплексная добавка поверхностно активных элементов, которая обеспечивает стабилизацию дисперсной перлитной структуры в осевых зонах дендритов и высокую армирующую способность денд ритного каркаса чугуна.
Введение комплексной добавки позволяет повысить прочность чугунных от ливок не менее чем на две марки: с СЧ 20 до СЧ 30 или с СЧ 25 до СЧ 35.
Эффективность основных результатов диссертационной работы подтверждена опытно-промышленными испытаниями в условиях ОАО «Волгограднефтемаш».
На защиту выносятся:
1. Разработанная в работе уникальная методика оценки сопротивляемости элементов первичной структуры чугуна распространению магистральной трещи ны позволила обосновать значимые параметры первичной структуры серого чу гуна (объмная доля, строение и расположение относительно прилагаемой нагрузки первичных дендритов, дисперсность ячеек эвтектики), ответственные за его композиционное упрочнение.
2. Впервые установлено, что по строению макрорельефа излома в сером чу гуне возможно определять направление распространения магистральной трещины и положение очага разрушения.
3. Выявленные в настоящей работе и неизвестные ранее особенности протека ния в чугунах процесса кристаллизации – преждевременное блокирование по верхностно - активными элементами дендритного роста кристаллов первичного аустенита и наслоение на них в виде внешней оболочки избыточного аустенита.
4. Впервые выявленный и изученный в работе механизм «принудительной за качки» углерода в центр дендритных ветвей чугуна, обеспечивающий формиро вание в них структуры сорбитообразного перлита.
5. Новое направление совершенствования дендритной структуры серого чугу на основанное на взаимосвязи между его составом и закономерностями структу рообразования, и разработанные на этой основе рекомендации по повышению прочности чугуна.
Достоверность результатов исследования достигалась использованием вы сокоточного оборудования. В работе применяли микрорентгеноспектральный анализатор «Super Рrob - 733»;
приборный комплекс с программным обеспечени ем для дифференциально-термического анализа (ДТА) «Кристаллодиграф»;
фото электрический электроэмиссионный квантометр ARL - 3460;
оптические микро скопы «Neophot - 21» и «Olympus BX - 61»;
электронный растровый микроскоп РЭМ - 250;
рентгеновский микроскоп МИР - 2;
модернизированный профилограф «БВ - 6279», микротвердомер ПМТ – 3, универсальные компьютерные програм мы, адаптированные для проведения количественной металлографии. В работе были использованы методы геометрической термодинамики. Результаты иссле дований обрабатывались методами математической статистики на персональном компьютере с использованием соответствующего программного обеспечения.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследования докладывались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской науч но-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Ры бинск, 2005 г.);
региональных конференциях молодых исследователей Волгоград ской области (Волгоград, 2004, 2005, 2006 гг.);
ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2005 – 2011 гг.) и научных семинарах кафедр «Машины и технологии литейного производства» и «Технология материалов» ВолгГТУ.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 10 пе чатных работ, в том числе 5, входящие в перечень рецензируемых научных жур налов. По результатам работы сделана заявка на получение патента.
Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, вы водов, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит страниц машинописного текста, 59 рисунков, 17 таблиц и 13 формул. Список ис пользованной литературы включает 172 наименования, в приложении представ лен акт опытно-промышленного испытания эффективности рекомендаций рабо ты.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и их реали зация.
В первой главе выполнен анализ современных представлений о взаимосвязи состава, структуры и свойств серого чугуна. Изложены существующие представ ления о перспективе совершенствования первичной структуры чугуна в соответ ствии с основными принципами композиционного упрочнения и о сопротивлении серого чугуна разрушению при растяжении и сжатии. Сформулированы цель ра боты и задачи исследования.
Во второй главе приведены общая и частные методики проведения экспери ментов, позволяющие решать поставленные в работе задачи.
Металлографический анализ первичной структуры серых чугунов проводили на шлифах, изготовленных: из материала стандартных разрывных образцов ( мм);
из материала ступенчатой пробы с толщиной стенки, изменяющейся от 8 до 60 мм;
из образцов, оставшихся после проведения ДТА. Данный сортамент обес печивал исследование структур чугуна, полученных как при постоянной скорости охлаждения, так и при изменении е в интервалах, соответствующих реальным скоростям охлаждения отливок. Степень эвтектичности исследуемых чугунов (СЧ 15 СЧ 30) изменялась в пределах от 0,82 до 1,0. База промышленных испы таний разных марок серого чугуна включала более 150 образцов чугуна вагра ночной плавки и около 300 образцов чугуна индукционной плавки.
Анализ строения поверхности разрушения чугуна проводили с использовани ем растровой электронной микроскопии на предмет аналогии в разрушении во локнистых композитов и чугуна. Профиллографированием проводили количе ственную оценку изломов.
В диссертационном исследовании была разработана специальная методика модельной реконструкции магистральной трещины. От обеих половинок образца, прошедшего испытания, отрезали столбики высотой 20 мм, содержащие излом.
Далее для последующей ориентации плоскости шлифа со стороны реза делали отметки преимущественного направления рубцов излома связанных с траектори ей распространения магистральной трещины. Затем поверхность изломов покры вали циакриновым клеем и, совмещая по рискам, нанеснным до испытания, со единяли обе части;
готовили шлифы в нескольких сечениях образца, полученных при последовательной сошлифовке параллельно его оси.
Степень и характер участия элементов первичной структуры чугуна в работе разрушения в каждом состыкованном образце изучали металлографическим ме тодом в нескольких последовательно перешлифованных сечениях, нормальных к поверхности отрыва. В каждом шлифе анализировали не менее семи сечений, протравленных вначале на дендритную, а затем на эвтектическую структуры.
Полагали, что анализ траектории трещины будет более информативен приме нительно к первичной структуре. В каждом сечении суммировали протяженность участков структуры, на которых трещина либо разрушала дендритные ветви на отрыв или срез, либо огибала их, выбирая путь наименьшего сопротивления.
Участки резкого изменения направления траектории магистральной трещины контролировали для выявления в них локальных изменений, за счет которых они первыми могли бы достигнуть предельного по прочности состояния.
Температурно-временные интервалы процессов кристаллизации чугуна изуча ли ДТА методом, а качественное исследование стабильности структуры дендрит ных кристаллов проводили после докритического нагрева. Дюраметрические ис следования изменения свойств дендритных ветвей проводили до и после термического воздействия.
Просвечивающая рентгеновская микроскопия тонких фольг чугуна была при менена для анализа переохлаждения эвтектики чугунов с аномальной дендритной структурой, в которой перлитные ветви окружены ферритной оболочкой.
При идентификации механизма кристаллизации аномальных дендритных структур проводили качественный анализ микроликвации кремния по цвету плнки SiO2, образующейся на поверхности шлифов при травлении их в кипящем водном растворе пикрата натрия. По мере убывания содержания Si в структурных составляющих чугуна цвет плнки изменялся в следующем порядке: желто зеленый, голубой, пурпурный, соломенно-желтый. По изменению цвета окраши вания отдельных микроликвационных зон строили варианты примерных профи лей сегрегационных кривых, которые отражали усредннные графические пред ставления о распределении Si по сечению дендритных ветвей и в междуветвиях.
Оценивали характер микроликвации кремния, однородность окраски в пределах каждой микроструктроной зоны, протяженность переходных зон изменения окраски, наличие скачкообразного изменения цвета и др.
Микрорентгеноспектральным анализом исследовали неоднородность арми рующего дендритного каркаса чугуна по содержанию Si, Mn и S при непрерыв ном перемещении зонда и путм продолжительного (60 сек.) набора импульсов в отдельных характерных точках траектории, пересекающей дендритные ветви.
Выбор анализируемых компонентов (Si, Mn и S) обосновывали тем, что каче ственный характер сегрегационных кривых кремния, основанный на визуальных оценках цвета, подвергался не просто количественной проверке, но и дублиро вался соответствующим распределением в анализируемых микроликвационных зонах Mn и S. Сопоставление микронеоднородности по этим элементам, ликви рующим при затвердевании диаметрально противоположно кремнию, гарантиро вало от случайных результатов и от неоднозначной трактовки построенных сегре гационных кривых. При этом S, имеющая однонаправленную с Mn микроликвацию, из-за чрезвычайно малого коэффициента равновесного распре деления (К0S 0,05) накапливалась в самых последних порциях затвердевающей жидкой фазы, что позволяло проследить направление и последовательность роста тврдой фазы на заключительной стадии затвердевания.
В третьей главе выполнен анализ первичной структуры серого чугуна на е соответствие основным принципам композиционного упрочнения и изложены материалы исследования сопротивляемости первичной структуры чугуна распро странению магистральной трещины.
Проведнный анализ соответствия первичной структуры серого чугуна основ ным принципам упрочнения композитов с неориентированными волокнами пока зал следующее:
1. Объмная доля армирующих волокон в композите должна быть в пределах от 20 до 80 %. Объмную долю дендритов (fДК), выполняющих в чугуне роль ар мирующих волокон, современные литейные технологии позволяют в промыш ленных чугунах регулировать от 20 до 65 %.
2. Исследования показали, что в промышленных чугунах длина дендрит ных кристаллов во много раз больше их диаметра l ДК = (3 16) ± 0,94 мм, d ДК = (20 28) ± 0,85 мкм, следовательно, отношение длины дендритов к их диаметру (l ДК / d ДК ) превышает минимально необходимую для волокнистых композиционных материалов величину, которая должна быть не менее 10…100.
3. Другой принцип композиционного упрочнения, состоящий в том, что проч ность армирующих волокон должна быть больше прочности упрочняемой матри цы (вв вм), реализуется в чугуне если дендритные ветви сохраняют структуру сорбитообразного перлита с прочностью более 800 МПа. Кристаллизация чугуна закономерно сопровождается прямой ликвацией углерода в жидкую фазу при одновременном вытеснении его из дендритов первичного аустенита ликвирую щим в них кремнием. Вследствие этого, последующее превращение неиз бежно фиксирует в дендритных ветвях пониженную дисперсность перлита или перлитно-ферритную структуру, приводящую к снижению прочности чугунных отливок.
4. В чугуне также необходимо выполнение ещ одного принципа композици онного упрочнения, а именно – условия реализации прочной связи между упроч няющими волокнами и матрицей. Исследования, проведенные с использованием растровой электронной микроскопии, показали, что армирующие дендриты, явля ясь наиболее прочными структурными элементами, не в полной мере восприни мают разрушающие напряжения и как бы «отслаиваются» от малопрочной эвтек тической матрицы. На поверхности разрушения обнажается, по существу, неразрушенный дендритный каркас, наблюдаются выступающие дендритные вет ви и регулярно расположенные полости, из которых дендритные ветви «выдерну лись», т. е. в чугуне проявляются особенности разрушения, характерные для во локнистых композитов.
В соответствии с проанализированными принципами, в дальнейшей работе, нами проводилось изучение первичной структуры чугуна с целью е корректи ровки направленной на увеличение полноты реализации в чугуне композицион ного упрочнения.
Впервые показано, что при одинаковых значениях прочности у чугунов разви тость их рельефов существенно отличается: от сравнительно ровного излома до грубого и зубчатого. Количественная оценка строения изломов путм их профил лографирования показала, что значения площади разрушения излома с развитой поверхностью больше в 3 5 раз.
Было установлено, что все изломы чугуна могут иметь один из двух характер ных рельефов, а именно изломы с параллельными рубцами, пересекающими всю поверхность, и с радиальными рубцами, исходящими из цен тральной части (рис. 1).
Показано, что специфика строения изломов обу словлена местом распо ложения очага разруше ния, а именно, в центре при радиальных рубцах и на поверхности при а) б) параллельных.
Рис. 1. Характерные морфологические особенности строения изломов чугуна и соответствующие им схемы распространения магистральной трещины: а) – «се Таким образом, изу мейство» параллельных рубцов;
б) – радиальное расположение рубцов в поверхно чение траектории маги сти разрушения стральной трещины в последовательно перешлифованных сечениях склеенных по ловинок и анализ расположения ответвлений от основной трассы позволил не толь ко определить направление перемещения трещины отрыва в чугуне, но и связать его с морфологическим строением поверхности разрушения.
Исследования процесса разрушения чугуна выявили характерные виды взаи модействия магистральной трещины с армирующим дендритным каркасом от слоение матрицы от дендритов, срез и отрыв ветвей (рис. 2).
а) б) в) Рис. 2. Характерные виды разрушения дендритной структуры чугуна: а) отслоение эвтектической матрицы от дендритного каркаса, 100;
б) разрушение дендритных ветвей срезом 50;
в) фрагменты структуры на участке разрушения дендритных ветвей отрывом, Сопоставительный анализ показал, что характер разрушения дендритных кри сталлов коррелирует с фактическими значениями временного сопротивления раз рыву исследуемых чугунов: чем больше дендритных ветвей разрушено отрывом или срезом, тем больше разрушающая нагрузка (табл. 1).
Таблица 1 Связь прочности чугуна при растяжении и характера разрушения дендритного каркаса ДОЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УЧАСТКОВ РАЗРУШЕНИЯ ДЕНДРИТОЙ СТРУКТУРЫ,% ПРОЧНОСТЬ ЧУГУНА ОТСЛОЕНИЕ МАТРИЦЫ ОТ в, МПа СРЕЗ ВЕТВЕЙ ОТРЫВ ВЕТВЕЙ ДЕНДРИТОВ 150 200 82,35 ± 3,6 11,25 ± 0,9 6,40 ± 0, 200 250 76,00 ± 4,1 15,00 ± 1,1 9,00 ± 0, 73,00 ± 3,8 17,00 ± 1,0 10,00 ± 0, Независимо от прочности чугуна и фактической площади излома около 50 % ячеек эвтектической матрицы разрушается отрывом, а остальные (50 %) вынуж дены работать на срез.
Установлено, что магистральная трещина имеет зигзагообразный характер, и основным фактором формирования зигзагообразной траектории трещины являет ся армирующий каркас дендритов, а дополнительным фактором зародышевые микротрещины, разбивающие трещину на отдельные участки. Послойный метал лографический анализ показал, что в районе перегибов траектории трещины структура в большинстве случаев обнаруживает высокоэнергетический характер разрушения - отрыв или срез. Так, например, при разной прочности чугунов в проанализированных 37 экстремальных точках отрыв дендритов наблюдался в случаях, срез в 11 случаях, а отслоение в 12 случаях. Некоторые характерные фрагменты структур в зонах перегиба траектории трещины показаны на рис. 3.
а) б) в) Рис. 3. Характерные фрагменты дендритной структуры чугуна в зонах резкого изменения направления распростране ния траектории магистральной трещины: а) участок слияния зародышевых микротрещин, 50;
б) отрыв, отслоение и в) срез дендритной ветви в экстремальных точках траектории, Видно, что эти зоны вряд ли можно безоговорочно относить к наименее прочным объмам материала, которые первыми достигают предельного по проч ности состояния. При этом на участках подъма и спуска траектории трещины наблюдалось разрушение только эвтектической матрицы, хотя и путм е среза.
Было установлено, что объмная доля армирующих дендритных кристаллов в промышленных чугунах изменяется значительно от 15 до 65 % (рис. 4).
в,МПа 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 fДК, % Рис. 4. Зависимость прочности ( в) серого чугуна при растяжении от объмной доли дендритных кристаллов (fДК) При этом при прочих равных условиях с ростом количества дендритов в объ ме металла прочность композиций чугуна увеличивается, но только до некоторо го предела ( 45 %), в котором происходит качественная смена зависимости, и прирост количества армирующих дендритов не находит отражения в увеличении прочности чугуна.
Для выяснения причин, приводящих к этому, исследовали распределение дендритов относительно приложенной нагрузки в поперечных и продольных се чениях чугунных отливок. Оно оказалось разным: стохастическим, транскристал литным и смешанным. Транскристаллитное строение дендритных кристаллов, имеющих развитую ось I порядка и малую длину осей II порядка, наблюдается только при их высокой объмной доле и, как правило, направление осей I порядка перпендикулярно приложенному напряжению, что и вызывает уменьшение со противления чугуна распространению магистральной трещины, траектория кото рой легко огибает ветви дендритного каркаса, не пересекая их. Это приводит к тому, что увеличение объмной доли дендритных ветвей не повышает прочности композиции в целом.
В то же время при высокой объмной доле дендритов наблюдается их пакет ное строение. Дендритные кристаллы занимают при этом довольно большой объ м, т. к. во время затвердевания разрастаются во всех направлениях. Относитель но приложенной нагрузки они имеют стохастическую ориентацию, а магистральная трещина при распространении либо вызывает их разрушение, либо изменяет сво направление, огибая их, что, несомненно, повышает сопротивление материала разрушению. Чугуны с такими структурами расположены, как прави ло, на верхнем участке зависимости (рис. 4), обеспечивая прочность 300 МПа.
Показано, что в серых чугунах с разным количеством дендритов степень вли яния размера ячеек эвтектики на прочность неодинакова. Повышение прочности под действием увеличения дисперсности ячеек матрицы наблюдается в чугунах с объмной долей дендритов не более 25 %, а также в чугунах с высоким содержа нием дендритов ( 45 %), т. е. когда упрочняющее действие дендритов ослаблено либо недостаточно (рис. 5).
в, МПа fДК = 25… fДК = 35… fДК = 15… fДК = 55…65 fДК = 45… 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 DЯЧ, мкм Рис. 5. Зависимость прочности (в) серого чугуна при растяжении от диаметра ячеек эвтектической матрицы (DЯЧ) Данные проведенных исследований позволили получить эмпирическую зави симость (№ 1 см. табл. 2) связывающую предел прочности чугуна с параметрами его первичной структуры.
Таблица 2 – Анализ влияния параметров первичной структуры на прочность чугуна ИНТЕРВАЛЫ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЁМНОЙ ДОЛИ КОЭФФИЦИЕНТ УРАВНЕНИЯ РЕГРЕССИИ* АРМИРУЮЩИХ ДЕНДРИТОВ, КОРРЕЛЯЦИИ f ДК, об. % fДК = 15 65 в – 1 = 2,4 + 5, 3[ fДК] + 0, 0 4 [ L Д К ] 3,6 [ D Я Ч. ЭВТ] R = 0, в – 2 f ДК 25 = 2,3 + 5, 4[ fДК] + 0, 0 3 [ L Д К ] 4,9 [ D Я Ч. ЭВТ] R = 0, fДК = 25 45 в – 3 = 2,5 + 6, 1[ fДК] + 0, 0 9 [ L Д К ] 1,6 [ D Я Ч. ЭВТ] R = 0, в – 4 fДК 45 = 2,6 + 4, 5[ fДК] + 0, 0 1 [ L Д К ] 4,5 [ D Я Ч. ЭВТ] R = 0, *где: в – прочность чуг уна, МПа;
f Д К – объмная доля дендритов, %;
L Д К – дл ина дендритов, мм;
D Я Ч. – ЭВТ.
диаметр ячеек эвтектической матрицы, мм.
Также был выделен интервал (№ 3 см. табл. 2) в пределах которого дендриты наиболее эффективно выполняют роль армирующих волокон. За пределами этого интервала (№ 2 и 4 см. табл. 2) эффект упрочнения выражен слабее, но повышение прочности чугуна может быть достигнуто за счет увеличения дисперсности ячеек эвтектической матрицы.
В четвертой главе изложены материалы исследования структурной аномалии дендритов, способной усиливать их армирующие свойства.
Дифференциально-термический анализ чугунных заготовок разной толщины показал, что увеличение диаметра приводит к снижению скорости дендритной кристаллизации, хотя на этапе затвердевания эвтектики она практически равная.
Установлено, что увеличение продолжительности периода выделения первичных дендритных кристаллов в заготовке большего сечения, отражается в снижении их объмной доли. Металлографический анализ чугуна полученного из материала ступенчатой пробы, также показал увеличение объмной доли армирующих вет вей с ростом скорости охлаждения. Однако как правило, кратковременное терми ческое воздействие приводит к снижению армирующих свойств дендритами пу тм их ферритизации.
При анализе чугунов были об наружены дендриты (рис. 6), ар мирующее ферритную матрицу, и имеющие вопреки известным за кономерностям в центральных зонах - сорбитообразный перлит (НV 269 312) отделнный внут ренней границей от оболочек из разреженного перлита (НV 239) или феррита (НV 128 180). Про веденные исследования показали, что стабильность в центральных а) б) зонах сорбитообразного перлита Рис. 6. Структура дендритных кристаллов с сорбитообразным перли окруженного внешней оболочкой том (а), 100, и фрагменты ветвей (б) в ферритной (верх) и перлитной (низ) оболочках, 500. (Травление 4 % HNO3) оказалась намного выше, чем пер лита в штатных дендритах. В аномальных дендритных структурах прочность цен тральных зон сохранялась после двухчасовой выдержки при температуре 700 °C, а ферритизация и потеря прочности дендритами не имеющими внешней оболочки происходила уже после тридцати минут. Следовательно, при реальных эксплуа тационных и технологических температурных воздействиях стабильность пер литной структуры в дендритах аномального строения остатся достаточно высо кой.
Проведенное сравнительное исследование элементов первичной структуры штатных и аномальных чугунов показало их различия (табл. 3). В обоих типах чугунов размеры ячеек эвтектической матрицы попадают в достаточно широкий диапазон значений. В аномальных чугунах они ближе к верхним значениям, что исключает глубокое переохлаждение расплава во время затвердевания.
Таблица 3 – Параметры структуры кристаллизации чугуна ДЕНДРИТНЫЕ КРИСТАЛЛЫ ЭВТЕКТИКА ТИП СТРУКТУРЫ ОБЪЁМНАЯ ДОЛЯ РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ВЕТВЯМИ ТОЛЩИНА ДИАМЕТР ЯЧЕЕК ЧУГУНА ВТОРОГО ПОРЯДКА, мкм ВЕТВЕЙ d, мкм D, мкм f ДК, % 15 58 25 ± 1,18 20 ± 0,92 300 ШТАТНАЯ* 60 65 34 ± 1,32 28 ± 0,85 800 АНОМАЛЬНАЯ** * СРЕДНЕЕ ПО 70 ИЗМЕРЕНИЯМ;
** СРЕДНЕЕ ПО 9 ИЗМЕРЕНИЯМ В чугунах с аномальной структурой дендритов наблюдалась одинаковая фер ритно-графитовая эвтектическая матрица с точечной формой графита (рис. 7).
Изучение истинной формы гра фита методом просвечивающей микрорентгенографии тонких фольг чугуна показало его мо нокристальное строение в объ ме каждой ячейки эвтектической матрицы, что также исключает глубокое переохлаждение рас плава во время затвердевания.
а) б) Рис. 7. Характер графита в чугуне с аномальной структурой Аномальные дендриты име дендритов, 100: а) оптическая микроскопия;
б) просвечивающая ют увеличенные размеры, а микроскопия также превосходят штатные по диаметру (в 1,4 1,8 раза), при этом толщина соб ственно оболочек составляет более 50 % площади сечения дендритного каркаса (табл. 3).
Наблюдаемое увеличение дендритных параметров не может быть отнесено к изменению скорости охлаждения, т. к. для этого в стандартных разрывных образ цах она должна уменьшиться (в соответствии с выражением, = аVохлn) примерно в 50 раз. Наиболее вероятной причиной изменения дисперсности элементов пер вичной структуры чугуна и формирования внешней оболочки на дендритных кристаллах всех порядков следует считать существование превращения, протека ющего после завершения дендритного роста. С целью анализа этого утверждения после травления в кипящем пикрате натрия, проводили изучение по изменению цветовой палитры качественного распределения в дендритных кристаллах крем ния.
Однородные ферритные оболочки аномальных дендритов при цветном трав лении приобретают максимально неоднородную окраску (рис. 8), свидетельству ющую о неравномерном распределении в них кремния. При этом внутренняя часть оболочки аномального дендрита имеет содержание кремния меньше, чем центр дендрита, а наружная, его превышает. Такая особенность сохраняется при любых цветовых окрасках дендритов и междуветвий в отдельных участках шлифа.
а) б) в) г) Рис. 8. Основные формы нормального и комбинированного строения дендритных кристаллов. Характерные окраски, 500.
(Травление кипящим пикратом натрия) а) – сечение дендритов штатной кристаллизации;
б) – аномальный (сорбитообразный перлит) в ферритной оболочке;
в) – сорбитообразый перлит, центральной зоны отделн высокоугловой границей от наруж ной ферритной оболочки;
г) – то же, но промежуточная оболочка из крупнопластинчатого перлита.
Цветное травление позволило выявить наличие на всех ветвях аномальных дендритов тонкой внешней оболочки, которая окрашена так же, как эвтектическая матрица, но не образует внутри дендрита видимой границы. Она сливается с фо ном при обычном травлении и отсутствует у дендритов штатной кристаллизации.
Построенные на основании визуальных оценок изменения цвета и интенсив ности окрашивания варианты примерных профилей сегрегационных кривых по казали качественный характер сегрегации Si по сечению ветвей в штатных и ано мальных дендри тах (рис. 9).
Скачкообразное изменение кон центрации Si свидетельствует о многослойном СОДЕРЖАНИЕ КРЕМНИЯ, % строении ано а) мальных ветвей, включающем в себя последова тельно затвер девшие элемен ты трх микроликваци онных зон – дендритов пер б) 1 –ПЕРВИЧНЫЙ АУСТЕНИТ (НЕПРЕРЫВНЫЙ РОСТ);
вичного аусте 2- ИЗБЫТОЧНЫЙ АУСТЕНИТ (ПОСЛОЙНЫЙ РОСТ);
3 - ОСАЖДЕННЫЙ АУСТЕНИТ;
3 – ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ СМЕСЬ нита, избыточно Рис. 9. Качественная схема изменения сегрегации Si по радиусу штатного (а) и аномаль ного (б) дендритного кристалла, при последовательной смене механизмов роста тврдой го аустенита фазы внутренней обо лочки и осажденного аустенита внешней оболочки.
Сканограмма (рис. 10) показывает, что цен тральная зона аномаль ного дендрита отличает ся заметным постоянством содержа ния всех анализируемых элементов, а в массив ной ферритной оболоч ке наблюдается пере менное содержание Si, возрастающее на внеш ней границе. Более того, ферритная оболочка имеет легко угадывае мую по модельным представлениям (рис. 9) сегрегацию Si, харак терную для нормальной кристаллизации плос Рис. 10. Изменение интенсивности характеристического излучения элемен ким фронтом (см. фраг тов (Mn, Si и S) в дендритах аномального строения. Справа увеличенный мент рис. 10). Содержа фрагмент сканограммы участка трассы с усреднением сегрегационной кривой кремния ние Si в эвтектике оказалось меньше, чем в центральных зонах дендритных ветвей (СSiэвт = 2,52 %;
СSiден. = 2,72 %), однако ферритная оболочка содержала еще большее количество кремния (2,92 %). Таким образом, по профилю сегрегационных кривых удалось идентифицировать разные механизмы роста тврдой фазы, сменяющие друг друга в условиях реального затвердевания технических чугунов.
Нанесение на диаграмму Бенза - Эллиота границы дендритного роста, поз волило применить ме тоды геометрической термодинамики для анализа механизма «принудительной за качки» углерода в центр дендритных вет вей необходимого для формирования сорбит ной структуры (рис.
11).
Ордината сплава I-I должна пересекать границу дендритного роста при температуре Рис. 11. Анализ механизма «принудительной закачки» углерода в центр дендритных ветвей коноды в-в', но по ка ким-то причинам дендритная кристаллизация прекращается при более высокой температуре (конода б-б'). Начиная с точки б дендритный рост тврдой фазы за меняется послойным ростом кристаллов избыточного аустенита. Термодинамиче ская активность углерода (ас) в первичном аустените меняется по линии абг, а в избыточном аустените (оболочка) - по линии бЕ. Максимум дебаланса активности углерода ас между этими зонами, будет соответствовать температуре Т3, после чего дебаланс начнт снижаться и полностью исчезнет при температуре Т4, когда активность углерода в системе выровняется, достигнув максимального для ста бильной Fe – C системы значения ас = 1.
Поскольку перепад активности углерода ас между первичным и избыточным аустенитом является движущей силой диффузии углерода, последний станет "пе ретекать" вначале из избыточного аустенита в первичный, а затем последователь но из расплава в избыточный и далее, в первичный (LАизАпер).
Дальнейшие исследования, выполнялись в рамках допущений гипотезы о тер модинамической природе обнаруженных аномалий дендритной структуры. Пред положили, что наиболее вероятно возникновение в чугуне аномального строения дендритных кристаллов связано с блокировкой дендритного роста поверхностно активными примесями. Анализ химического состава каждого из чугунов, имею щих такую структуру (рис. 6), выявил наличие примесей обладающих положи тельной адсорбцией по Гиббсу, суммарное количество которых вполне могло стать причиной преждевременного блокирования дендритного роста (табл. 4).
Таблица 4 – Содержание поверхностно-активных примесей в чугунах с аномаль ной структурой дендритных кристаллов СОДЕРЖАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ, % МАСС Аs В Sn Sb Pb Zn Bi Se 0,006 0,008 0,006 0,009 0,001 0,004 0,005 0,008 0,001 0, 0,001 0,001 0, Проведенные исследования выявили ранее неизвестные пути совершенствова ния дендритной структуры чугуна, основанные на взаимосвязи между его соста вом и закономерностями структурообразования, что позволило в дальнейших исследованиях разработать на этой основе новый метод регулирования прочност ных свойств чугунных отливок.
В пятой главе представлены исследования чугунов, полученных при практиче ской реализации результатов диссертационного исследования в условиях чугуноли тейного цеха ОАО «Волгограднефтемаш».
Экспериментальная технология предполагала на дно разливочного ковша при плавке серого чугуна штатной технологии включающей модифицирование фер росилицием марки ФС 75 дополнительно вводить комплексную добавку, состав которой представлен в табл. 5. Компоненты добавки были подобраны по резуль татам анализа химического состава композиций чугуна (табл. 4), в которых обна ружены аномальные дендритный кристаллы (рис. 6).
Таблица 5 – Компоненты комплексной добавки (в расчете на 100 кг жидкого металла) ЭЛЕМЕНТ СОСТОЯНИЕ КОЛИЧЕСТВО, г.
(Sb + Sn + Pb) (13,6 + 13,6 + 72,8) % ат. ЛИТАЯ ДРОБЬ, ЛОТ – 10 ГОСТ 7837-76 30±4, ВИСМУТ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ (Bi 0) - ГРАНУЛЫ, ГОСТ 10928-90 10±2, СЕЛЕН ТЕХНИЧЕСКИЙ (Se) - ПОРОШОК, ГОСТ СТ-1 10298-79 10±2, ЦИНК КВАЛИФИКАЦИИ «Ч» (Zn) - ГРАНУЛЫ, ТУ 6-09-5294-86, 10±2, КИСЛОТА БОРНАЯ МАРКА Б, ПОРОШОК, ГОСТ 18704-78 30±3, Результаты химического анализа состава экспериментальных и штатных заго товок по содержанию базовых элементов – идентичны, в содержании элементов, входящих в состав добавки, наблюдались различия (табл. 6).
Таблица 6 – Содержание элементов в чугуне штатной и опытной плавок БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, % МАСС С Mn Si P S 2,95 0,9 1,9 0,051 0, ПОВЕРХНОСТНО - АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, % МАСС ЧУГУН В Sn Sb Pb Zn Bi Se ШТАТНЫЙ 0,003 0,001 - 0,001 - - ОПЫТНЫЙ 0,009 0,002 0,004 0,008 0,002 0,004 0, Проведенные металлографические исследования чугунов опытных плавок по казали структуры, подобные изображенной на рис. 6. Анализ сопротивляемости элементов первичной структуры чугуна распространению магистральной трещи ны в опытных чугунах показал, что характер разрушения дендритных кристаллов не изменился. Суммарная доля дендритных ветвей разрушенных отрывом и сре зом, в среднем увеличилась на 10 %, при этом около 40 % эвтектической матрицы разрушилось отрывом, а остальные 60 % – срезом.
Было установлено, что изначально низкие значения прочности чугуна ста бильно повышались на 30 - 40 % за счет формирования на дендритах внешней оболочки. Значения временного сопротивления полученных штатных чугунов находились в пределах марки СЧ 20 – СЧ 25 ( в min 220 МПа;
в mах 270 МПа), а экспериментальных – в пределах марок СЧ 30 – СЧ 35 ( в min 290 МПа;
в mах 355 МПа) (рис.12).
в, МПа 1 а) б) Рис. 12. Сравнительные данные значений предела прочности при растяжении (в) чугуна для штатной (1) и опытной (2) плавок – (а) и пример корпусной детали из металла опытно-промышленных плавок – (б). (1) и (2) – на базе 12 плавок.
Поскольку формирование внешней оболочки на дендритных ветвях связано с действием поверхностно-активных элементов, то для достижения заданного уровня свойств или повышения прочности серого чугуна в условиях предприятий современного машиностроения следует рекомендовать:
- в процессе выплавки проводить экспрессную коррекцию состава чугуна путм введения комплексной добавки разработанной в диссертационном исследовании.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения может составить порядка 847 тыс. рублей в год;
возможные источники эффекта: замена материалов добавок используемых на предприятиях для повышения прочности серых чугунов, повы шение качества чугуна за счет оптимального сочетания комплекса механических и технологических свойств.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено, что под действием поверхностно-активных элементов, на вет вях дендритов образуется внешняя оболочка с повышенным содержанием крем ния, которая препятствует обезуглероживанию и разупрочнению дендритов, по вышает армирующую способность дендритного каркаса. Показано, что механизм "принудительной закачки" углерода в центр дендритных ветвей, обеспечивающий формирование в них структуры сорбитообразного перлита, возникает из-за того, что в процессе кристаллизации между внутренними и наружными оболочками аустенита существует градиент (дебаланс) активности углерода ас, который яв ляется движущей силой диффузии. Углерод при этом "перетекает" вначале из избыточного аустенита в первичный, а затем последовательно из расплава в из быточный и далее, в первичный (LАизАпер).
2. На основе проведенных исследований установлена значимость параметров первичной структуры серого чугуна, ответственных за повышение прочности в чугунных отливках. Показано, что объмная доля дендритов в промышленных чугунах изменяется от 15 до 65 %. При этом при прочих равных условиях с ро стом количества дендритных кристаллов в объме материала прочность чугуна увеличивается, но только до некоторого предела ( 45 %), что определяется рас пределением дендритов в объме материала относительно приложенной нагрузки и их строением. Дальнейшее увеличение количества дендритов в материале не влияет на изменение величины прочности в сторону понижения или повышения его значения.
3. Показано, что в промышленных композициях чугуна с разным количе ством дендритов степень влияния размера ячеек эвтектической матрицы на прочность неодинакова. Повышение прочности под действием увеличения дис персности ячеек эвтектики наблюдается в чугунах с объмной долей дендритов не более 25 %, а также в чугунах с высоким содержанием дендритов ( 45 %), т.
е. когда упрочняющее действие дендритов ослаблено либо недостаточно.
4. Разработана новая методика модельной реконструкции магистральной трещины, которая позволила впервые экспериментально установить в чугунах марок СЧ 15 – СЧ 30 характерные виды взаимодействия трещины с дендритны ми ветвями (отслоение матрицы от дендритов (82,35 73,00 %);
срез ветвей (11,25 17,00 %);
отрыв (6,40 10,00 %) соответственно) и с ячейками эвтекти ки, которые разрушаются в 50 % отрывом, а остальные (50 %) работают на срез.
При этом доля дендритных ветвей, непосредственно участвующих в работе раз рушения чугуна путм их отрыва и среза, сравнительно невелика, но значитель но (более чем в 1,5 раза) увеличивается в более прочных композициях.
5. Для серых чугунов выявлены два характерных типа строения изломов, ха рактеризующих различное направление распространения магистральной трещины отрыва при разрушении. Впервые показано, что при одинаковых значениях проч ности у чугунов развитость их рельефов существенно отличается: от сравнитель но ровного излома до грубого и зубчатого. Установлено, что основным фактором формирования излома с развитой поверхностью является армирующий каркас дендритов. При разной прочности чугунов в районе перегибов траектории маги стральной трещины 67 % дендритных кристаллов разрушаются отрывом и сре зом, а в остальных случаях (33 % на участках подъма и спуска траектории тре щины) отслоение дендритов от эвтектической матрицы приводит к разрушению срезом ячеек эвтектики.
6. Применение полученных в работе результатов исследования позволило раз работать научно обоснованные мероприятия по повышению прочности чугунных отливок за счт совершенствования структуры материала на основе управления процессом дендритного структурообразования. Путм регулирования морфоло гии дендритов и стабилизации их свойств средние значения временного сопро тивления чугунных изделий повысились на 30 40 % (с марки СЧ 20 – СЧ 25 до марки СЧ 30 – СЧ 35).
Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:
Статьи в рецензируемых научных журналах 1. Костылева, Л. В. Сопротивляемость первичной структуры серого чугуна рас пространению трещин отрыва / Л. В. Костылева, Л. В. Палаткина, В. А. Ильинский // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2008. - № 5.- C. 44 - 47.
2. Палаткина, Л. В. Исследование аномалий дендритной структуры чугуна / Л. В.
Палаткина, Л. В. Костылева, В. А. Ильинский // Металлы. 2010. № 3, С. 35 – 41.
3. Ильинский, В. А. Исследование микроликвационной неоднородности дендрит ных ветвей серого чугуна / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева, Л. В. Палаткина // Ме таллургия машиностроения. 2009. № 6. C. 9 15.
4. Костылева, Л. В. Фрактографические особенности строения изломов чугунных разрывных образцов / Л. В. Костылева, Л. В. Палаткина, В. А. Ильинский // Материа ловедение. 2007. № 11. C. 31 34.
5. Палаткина, Л. В. Прогноз прочности серого чугуна по параметрам первичной структуры / Л. В. Палаткина, С. Е. Морозов // Известия Волгоградского государствен ного технического университета. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочно сти в машиностроении: межвузовский сб. науч. ст. 2007. Вып.1, № 3. (29) / ВолгГТУ.
С. 129 133.
Другие публикации 6. Палаткина, Л. В. Анализ причины стабильности перлитной структуры дендрит ных ветвей в сером чугуне / Л. В. Палаткина, Л. В. Костылева // IХ региональная кон ференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 09 – 12 но ября 2004 г.: Тезисы докладов / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2005. – С. 122 – 7. Горемыкина, С. С. Исследование особенностей ликвационного распределения Si и Mn в низко- и среднеуглеродистых сталях / С. С. Горемыкина, В. А. Ильинский, Л.
В. Костылева, Л. В. Палаткина // IХ региональная конференция молодых исследовате лей Волгоградской области, г. Волгоград, 09 – 12 ноября 2004 г.: Тезисы докладов / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2005. – С. 126 – 127.
8. Ильинский, В. А. Теплофизические особенности кристаллизации стальных и чу гунных отливок / В. А. Ильинский, Е. Ю. Карпова, С. С. Горемыкина Л. В. Палаткина // Теплофизика технологических процессов. Материалы Всероссийской научно технической конференции, посв. 50-летию РГТА / Рыбинская гос. авиац. технол. ака демия им. П. А. Соловьва. – Рыбинск, 2005. – С. 81 – 83.
9. Палаткина, Л. В. Анализ эффективности упрочняющего действия элементов первичной структуры серого чугуна / Л. В. Палаткина, Л. В. Костылева // Х регио нальная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 08 – 11 ноября 2005 г.: Тезисы докладов / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2006. – С. 123 – 124.
10. Палаткина, Л. В. Анализ соответствия первичной структуры серого чугуна во локнистому композиту / Л. В. Палаткина, С. В Палаткин, Л. В. Костылева // ХI регио нальная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 08 – 11 ноября 2006 г.: Тезисы докладов / ВолгГТУ и др. – Волгоград, 2007. – С. 139 – 140.
Личный вклад автора: В представленных работах, выполненных в соавторстве с другими исследователями, автором получены и проанализированы результаты иссле дования возможности повышения прочности серого чугуна на основе разработки научно обоснованного подхода к совершенствованию его дендритной структуры [2– 3];
обоснованы наиболее значимые параметры первичной структуры чугуна, ответ ственные за его упрочнение [9, 10];
определены фрактографические особенности строения изломов чугуна [4];
исследована сопротивляемость первичной структуры серого чугуна распространению магистральной трещины [1, 5] и микроликвационная неоднородность армирующих дендритных ветвей чугуна [3, 6, 7];
теплофизические особенности кристаллизации чугуна [8]. Во всех работах [1 – 10] автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении исследований и обсужде нии полученных результатов.
Подписано в печать. 2011 г. Заказ №. Тираж 100 экз.
.
Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.