Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

УДК 669.141.25:546.26-162

Особливості одержання, структура та властивості заевтектоїдної сталі з кулястим графітом

Спеціальність 05.16.04 - ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КОЗАК ДМИТРО СЕРГІЙОВИЧ

Київ - 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів Національної академії наук України

Науковий керівник доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бубликов Валентин Борисович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор Кондратюк Станіслав Євгенович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу

кандидат технічних наук, доцент Сиропоршнєв Леонід Миколайович, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут” МОН України, доцент кафедри

Захист відбудеться „ 25 ” жовтня 2007р. о 14⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, за адресою: 03680 м. Київ, МСП, б-р Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, за адресою: 03680 м. Київ, МСП, б-р Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий „ 17 ” вересня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01

доктор технічних наук М.І. Тарасевич



АНОТАЦІЯ

Козак Д.С. Особливості одержання, структура та властивості заевтектоїдної сталі з кулястим графітом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - „Ливарне виробництво”. - Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена розробленню параметрів енергозберігаючого процесу одержання графітизованої заевтектоїдної сталі з кулястим графітом з підвищеними ливарними та механічними властивостями. сталь заевтектоїдний графіт ливарний

Встановлені закономірності впливу внутрішньоформового модифікування, хімічного складу та швидкості охолодження на утворення структурно-фазового складу і визначені умови одержання заевтектоїдної сталі з кулястим графітом, що дозволяє суттєво підвищити ливарні, механічні та службові властивості і значно зменшити енергоємність виробництва в порівнянні із традиційною графітизованою сталлю. Розроблено технологію одержання виливків із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом на основі застосування внутрішньоформового модифікування. Проведені виробничі випробування виробів із сталі з кулястим графітом і зроблена оцінка ефективності їх застосування.

Ключові слова: модифікування, заевтектоїдна сталь, кулястий графіт, вермикулярний графіт, структурно-вільний цементит, хімічний склад.



АННОТАЦИЯ

Козак Д.С. Особенности получения, структура и свойства заэвтектоидной стали с шаровидным графитом.- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 -„Литейное производство”. - Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке параметров энергосберегающего процесса получения графитизированной заэвтектоидной стали с шаровидным графитом с повышенными литейными и механическими свойствами.

Исследовано влияние графитизирующего и сфероидизирующего модифицирования, химического состава и скорости охлаждения отливок на структурообразование заэвтектоидной стали. Определены основные закономерности и характерные особенности влияния модифицирования этой стали ферросилицием ФС75, силикобарием СБ20, силикокальцием СК25, комплексными сфероидизирующими модификаторами ЖКМК-4Р, КМг-9 и лигатурой Fe63Ni30Mg7 совместно с силикобарием СБ20 .

Показано, что структурообразование и кристаллизация модифицированной заэвтектоидной стали протекает по механизму характерному для железоуглеродистых сплавов доэвтектического состава стабильного варианта тройной диаграммы состояния Fe-C-Si. Кристаллизация начинается с зарождения и роста дендритов первичного аустенита. После охлаждения до температуры эвтектического превращения находящийся в междендритном пространстве расплав затвердевает с образованием аустенитно-графитной эвтектики. В структуре заэвтектоидной стали, модифицированной графитизирующими модификаторами, образуются включения вермикулярного графита, расположенные в виде разорванной сетки. В результате сфероидизирующего модифицирования магниевыми лигатурами образуется эвтектика - „шаровидный графит - аустенит”.

Получены новые данные о закономерностях влияния модифицирования, химического состава и условий охлаждения на формирование структуро-фазового состава заэвтектоидной стали, которые послужили основой для разработки стали с шаровидным графитом, отличающейся от традиционной графитизированной стали повышенными литейными, механическими и служебными свойствами.

Ключевые слова: модифицирование, заэвтектоидная сталь, шаровидный графит, вермикулярный графит, структурно-свободный цементит, химический состав.



SUMMARY

Kozak D.S. Features of reception, structure and properties hypereutectoid steel with globular graphite -The manuscript.

Thesis for a scientific degree of the Candidate of Science on specialty 05.16.04.- foundry.- Physico - Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine, Kiev, 2007.

Thesis is dedicated of elaboration process to received modification hypereutectoid steel which in process of it crystallization assured formation phase of graphite and prevented formation of cementite.

Regularities of influence in-mold modify. Chemical composition and cooling ration for structure formation hypereutectoid steel with globular graphite are determined test of industrial goods from steel with globular graphite are held and estimation of effective it application is made.

Keywords: modifying, hypereutectoid steel, globular graphite, vermicular graphite, structurally-free cementite, a chemical compound.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Графітизовані залізовуглецеві сплави знаходять широке застосування у сучасному машинобудуванні. До них відносяться не тільки чавуни, але й заевтектоїдні графітизовані сталі з кількістю графітної фази, меншою ніж у чавунах. Завдяки цьому вони характеризуються більш високими показниками ряду механічних і службових властивостей.

Традиційно графітизовану сталь одержують енергоємним високотемпературним відпалом литої заевтектоїдної сталі, структура якої складається із цементиту та перліту. У процесі відпалу розкладається цементит і у структурі формуються включення графіту компактної форми. Можливості такої технології обмежуються виготовленням із цієї сталі виливків відносно простої конфігурації, таких як підшипники, деталі штампів, валки та деякі інші.

Ліквідувати операцію енергоємного високотемпературного відпалу можна шляхом створення технологій, які забезпечать у процесі кристалізації виливків із заевтектоїдної сталі формування графітних включень та запобігання утворення структурно-вільного цементиту. При такому ході кристалізації забезпечується зменшення об'ємної усадки та схильності до утворення гарячих та холодних тріщин, що дозволить виготовляти із графітизованої сталі фасонні виливки складної конфігурації, включаючи корпусні. Зазначена вище радикальна зміна процесу кристалізації заевтектоїдної сталі може бути досягнута в результаті застосування високоефективного модифікування у поєднанні з оптимізацією хімічного складу. Тому дослідження, спрямовані на розробку процесу одержання заевтектоїдної сталі, яка кристалізується з утворенням кулястого графіту, є актуальними, а створення на цій основі нових марок графітизованих сталей відповідає вимогам сучасного машинобудування.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України відповідно до планів науково-дослідних робіт по темі 1.5.6.498 „Розробка економічних засобів підвищення механічних та експлуатаційних властивостей литих виробів з чавуну і сталі шляхом оптимізації витрат складових компонентів та використання відходів” (номер держреєстрації 0102U005226) та по темі 1.6.5.464 „Підвищення ефективності модифікуючого впливу на структуроутворення, механічні та службові властивості високоміцних чавунів” (номер держреєстрації 0100U003557).

Мета і задачі дослідження. Мета досліджень полягала у розробленні параметрів енергозберігаючого процесу одержання графітизованої заевтектоїдної сталі з кулястим графітом з підвищеними ливарними та механічними властивостями.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- визначити засоби впливу на процес кристалізації заевтектоїдної сталі, за яких забезпечується одержання в литій структурі кулястого графіту і запобігається утворення структурно-вільного цементиту;

- дослідити вплив хімічного складу, високоефективних методів модифікування та швидкості охолодження на структуроутворення заевтектоїдної сталі;

- дослідити вплив технологічних параметрів на структуру і фізико-механічні властивості заевтектоїдної сталі з кулястим графітом у литому стані та після термічної обробки;

- розробити технологічний регламент одержання заевтектоїдної сталі з кулястим графітом для виливків.

Об'єктом досліджень є процес одержання заевтектоїдної графітизованої сталі.

Предметом дослідження є параметри, які забезпечують формування включень кулястого графіту і запобігають утворенню цементитної фази під час кристалізації виливків із заевтектоїдної сталі.

Методи дослідження: Мікроструктурний аналіз; спектральний та хімічний аналізи; мікрорентгеноспектральний аналіз; фізико-механічні випробування; визначення ливарних властивостей. Обробка експериментальних даних здійснювалась з використанням методів математичної статистики та регресійного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше установлено закономірності впливу пізнього модифікування, хімічного складу і умов охолодження на формування структурно-фазового складу литої графітизованої заевтектоїдної сталі.

2. Установлено, що структуроутворення і кристалізація модифікованої заевтектоїдної сталі проходить згідно з механізмом, характерним для сплавів доевтектичного складу стабільного варіанту діаграми Fe-C-Si. В структурі заевтектоїдної сталі, яка модифікована графітизуючими модифікаторами, утворюються включення вермикулярного графіту, що розташовуються у вигляді розірваної сітки. В результаті сфероїдизуючого модифікування магнієвими лігатурами у міждендритному просторі формується евтектика - „кулястий графіт-аустеніт”.

3. Вперше установлено особливості впливу графітизуючого модифікування феросиліцієм, силікобарієм та силікокальцієм на формування у структурі виливків графіту вермикулярної форми. Оптимальним для одержання заевтектоїдної сталі з вермикулярним графітом є модифікування силікобарієм.

4. Вперше досліджено процес двостадійного (сфероїдизуючого і графітизуючого) модифікування у ливарній формі заевтектоїдної сталі та визначені його параметри, які забезпечують при кристалізації формування в її структурі кулястого графіту та запобігають утворенню структурно-вільного цементиту.

5. Дістав подальший розвиток процес одержання заевтектоїдної сталі з кулястим графітом з підвищеними ливарними, механічними та експлуатаційними властивостями.

Практичне значення одержаних результатів: Результати проведених досліджень та експериментів дозволили розробити для ЗАТ „Київський склотарний завод” технологію одержання із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом деталей плунжерного кільця та плунжера, що працюють у контакті з розплавленою скломасою. Використання заевтектоїдної сталі з кулястим графітом замість сталі 40Х13, з якої виготовляються ці деталі, дозволяє на 15% підвищити довговічність роботи склотарного інструменту, а також на 20% зменшити час механічної обробки та у 1,5 рази підвищити коефіцієнт використання металу. Розробка і впровадження високоефективної технології одержання заевтектоїдної сталі з кулястим графітом сприятиме розширенню її застосування в машинобудуванні і зниженню витрати електроенергії у порівнянні з традиційною графітизованою сталлю на 300-400 кВт/год на одну тону виробів. Заміна стальних деталей, що виготовляються з прокату та поковок, на литі деталі із заевтектоїдної сталі дозволить зменшити на 10-20% масу готових деталей, на 30-50% трудовитрати їх виготовлення, підвищити у 1,5-2 рази коефіцієнт використання металу.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем проаналізовано сучасний стан проблеми технологій одержання графітизованої сталі і визначені мета та задачі дослідження [4]. Експериментально досліджено вплив модифікування, вмісту вуглецю і кремнію та швидкості охолодження на формування литої структури заевтектоїдної сталі [2, 3, 5, 6, 10]. Визначено умови одержання оптимального структурно-фазового стану виливків та розроблено склад заевтектоїдної сталі з кулястим графітом і технологію її одержання на основі застосування модифікування у ливарній формі [1, 7-9, 11, 12].

Апробація результатів роботи. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: міжнародному науково-технічному конгресі „Литейное производство в новом веке - как победить в конкуренции ” (Київ, 2002 р.); I науково-практичній конференції молодих учених, присвяченій 100-річчю від дня народження Брауна М.П. (Київ, 2003 р); міжнародному науково-технічному конгресі „Литейное производство на рубеже столетия” (Київ, 2004 р.); міжнародному науково-технічному конгресі „Литейное производство - высококачественные отливки на основе эффективных технологий”

( Київ, 2005 р.); ІІ міжнародній науково-практичній конференції „Литьё 2006” (Запоріжжя, 2006 р.); міжнародному науково-технічному конгресі „Процессы плавки, обработки и разливки металлов: отливки, слитки, заготовки” (Київ, 2006 р.).

Публікації. Результати дисертації викладені в 10 публікаціях, у тому числі у 4 статтях у фахових виданнях ВАК України та у 6 тезах доповідей. Отримано 1 патент на винахід та 1 патент на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів основної частини, висновків, списку використаних літературних джерел з 103 найменувань та 4 додатків. Обсяг дисертації - 123 стор. та додатки на 4 сторінках. Дисертація містить 40 рисунків, 18 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обгрунтовано її актуальність, відповідність державній тематиці, сформульовані мета і задачі досліджень, визначені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Наведені відомості про особистий внесок здобувача та про апробацію результатів дисертації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан в галузі графітизованої сталі. Аналіз літературних даних показав, що графітизована сталь є перспективним конструкційним матеріалом для сучасного машинобудування завдяки високим механічним та експлуатаційним властивостям. Але її виробництво пов'язане з застосуванням тривалого високотемпературного графітизуючого відпалу для розкладу цементиту. Установлено, що основні напрямки подолання цього недоліку технології спрямовані на визначення засобів керування кристалізаційним процесом і створення умов, за яких при кристалізації заевтектоїдної сталі утворюється не карбідна, а графітна фаза. Однак, такі технологічні засоби, як хімічний склад та модифікування, не завжди приводять до бажаного результату. При традиційному модифікуванні у структурі сталі поряд із включеннями графіту різноманітної форми утворюються включення цементиту. Немає однозначної відповіді щодо одержання модифікуванням у структурі заевтектоїдної сталі кулястого графіту. Виявлено, що відомі технологічні рішення недостатньо ефективні і не забезпечують при кристалізації литої заевтектоїдної сталі формування тільки графітної фази без утворення структурно-вільного цементиту. На підставі цього аналізу сформульовано мету та визначено задачі досліджень.

У другому розділі наведені методики досліджень, обробки експериментальних даних, підібрано апаратурне оснащення та вибрані матеріали.

Дослідження проводили на залізовуглецевих сплавах, що вміщують (у мас. частках %): 1,10-2,20C; 1,30-3,0Si; 0,10-0,30Mn; 0,04-0,10Cr; 0,10-0,50Ni; 0,008-0,04S; 0,035-0,05P. В якості шихтових матеріалів використовували: відходи сталі Ст.2-Ст.3, відходи електротехнічної сталі марок 1411 та 1412, стружку графітових електродів. Плавки проводили в індукційній печі ИСТ-0012. У лабораторних умовах розплав модифікували графітизуючими та сфероїдизуючими модифікаторами з фракційним складом 2...7 мм. Модифікування проводили у реакційних камерах, які знаходились у ливарній формі. Використовували графітизуючі модифікатори - феросиліцій ФС75, силікобарій СБ20, силікокальцій СК25 і сфероїдизуючі магнійвміщуючі модифікатори - ЖКМК-4Р, КМг-9 та Fe63Ni30Mg7. Контроль температури здійснювали платино-платинородієвою термопарою. Для вивчення впливу модифікування та інших технологічних факторів на структуроутворення заевтектоїдної сталі у піщано-глинясті форми відливали прийняті для високоміцного чавуну стандартні клиноподібні проби з товщиною стінок 5; 10 та 15 мм, швидкість охолодження яких, відповідно, складала 1,20; 0,60 та 0,30°С/с. Мікроструктуру зразків досліджували на оптичному мікроскопі МИМ-9. Для виявлення хімічного складу застосовували спектральний та хімічний методи аналізів. Механічні властивості визначали на зразках за діючими стандартами.

У третьому розділі викладені основні положення про особливості кристалізації кремнистої модифікованої заевтектоїдної сталі. Експериментально установлено, що кристалізація і утворення фаз у кремнистій заевтектоїдній сталі проходить згідно механізму, характерному для доевтектичної області структурної діаграми рівноваги Fe-C-Si - сплавів.

За рахунок підвищеного вмісту кремнію (2,5%) гранична кількість розчиненого вуглецю у первинному аустеніті змінюється з 2,14% до 1,52% (точка E`). При цьому розчин, який знаходиться у міждендритному просторі первинного аустеніту, збагачується вуглецем до концентрації 3,55% (точка С`), що призводить до формування карбідної або графітної евтектики. Для усунення форму-вання у процесі кристалізації цементитної фази потрібне високоефективне графі-тизуюче модифікування, яке є спроможним утворювати необхідну кількість додаткових центрів графітизації у розплаві.

На основі аналізу ефективності модифікаторів, які використовуються для модифікування доевтектичних високоміцних чавунів, були вибрані та застосовані для досліджень графітизуючі модифікатори - феросиліцій ФС75, силікобарій СБ20, силікокальцій СК25 і сфероїдизуючі магнієві лігатури - ЖКМК-4Р, КМг-9 та Fe63Ni30Mg7. Проведено порівняльну оцінку ефективності їхнього впливу на структуроутворення заевтектоїдної сталі.

Встановлено, що в результаті модифікування феросиліцієм в структурі утворюється графіт вермикулярної форми (ВГф2, ВГф3). В залежності від товщини стінки виливка та вмісту кремнію змінюється розподіл та дисперсність включень графіту. У виливках з товщиною стінки 5 мм при вмісті в сталі 1,60-2,85% Si у міждендритному просторі формуються колонії дисперсного вермикулярного графіту (ВГф2). Ця тенденція зберігається і у виливках товщиною 10 мм при високому вмісту кремнію (2,85%). У виливках товщиною 15 мм колонії дисперсного вермикулярного графіту в діапазоні вмісту кремнію від 1,60 до 2,85% не утворюються, а формуються включення вермикулярного графіту у вигляді розірваної сітки. Із збільшенням товщини стінки виливка кількість перліту в структурі металевої основи зменшується.

В результаті модифікування силікобарієм утворюється вермикулярний графіт у вигляді розірваної сітки і переважно перлітна металева основа з кількістю фериту 2-8%. Вплив вмісту вуглецю і кремнію на формування як металевої основи, так і включень вермикулярного графіту - незначний.

Модифікування силікокальцієм СК25 може призводити до формування у структурі заевтектоїдної сталі як вермикулярного, так і кулястого графіту. Показано, що утворенню вермикулярного графіту сприяє високий вміст вуглецю у сталі. При вмісті вуглецю у межах 1,4-1,7% і низькому вмісті сірки у (0,008%) у структурі формуються переважно включення кулястого графіту, а також вермикулярний графіт у кількості 10-15% .

Таким чином, модифікування заевтектоїдної сталі феросиліцієм, силікобарієм, силікокальцієм в кількості 1,0-1,2% запобігає утворенню у процесі кристалізації структурно-вільного цементиту. В результаті модифікування феросиліцієм і силікобарієм утворюються включення вермикулярного графіту. В залежності від хімічного складу сталі,модифікування силікокальцієм може призводити до формування у структурі виливків як вермикулярного, так і кулястого графіту.

Дослідження впливу сфероїдизуючих модифікаторів на структуроутворення заевтектоїдної сталі показали, що модифікування магній-кальцієвою лігатурою ЖКМК-4Р в кількості 0,5% від маси розплаву призводить до утворення у структурі сталі як кулястого, так і вермикулярного графіту. При збільшенні витрати від 1,0 до 1,5% поряд з включеннями кулястого графіту утворюється цементитна фаза. З підвищенням витрати модифікатора ЖКМК-4Р кількість цементитної складової у структурі заевтектоїдної сталі збільшується, а кількість фериту зменшується.

Модифікування КМг-9 у кількості 0,5% також призводить до утворення як кулястого графіту, так і вермикулярного графіту, а також до 3% цементиту. З підвищенням витрати КМг-9 від 0,5 до 1,5% спостерігається підвищення кількості цементиту та фериту у структурі заевтектоїдної сталі.

Модифікування заевтектоїдної сталі Fe63Ni30Mg7-лігатурою проводили у комплексі з графітизуючим модифікуванням силікобарієм. Встановлено, що при витраті 0,5-1,0% Fe63Ni30Mg7 та 0,7% СБ20 від маси розплаву структура виливків товщиною 15 мм складається з перліту, включень кулястого графіту діаметром 10...15 мкм та цементиту в кількості 8-12%. В структурі виливків товщиною 5 та 10 мм графітна фаза не спостерігалась. Незважаючи на більшу кількість цементитної складової у структурі заевтектоїдної сталі, вплив сфероїдизуючого модифікування Fe63Ni30Mg7-лігатурою на формування кулястого графіту суттєво більший ніж ЖКМК-4Р та КМг-9. В діапазоні витрати від 0,5 до 1,0% Fe63Ni30Mg7-лігатури не утворюється вермикурярний графіт, а ступінь сфероїдизації графіту (ССГ) становила більше 85%). Експериментально визначено, що при витраті 0,7% Fe63Ni30Mg7-лігатури стабільно забезпечується формування кулястого графіту, а при збільшенні витрати СБ20 до 1,5% запобігається утворення цементиту у структурі заевтектоїдної сталі.

Вказані параметри подвійного сфероїдизуючого і графітизуючого модифікування забезпечують одержання заевтектоїдної сталі з кулястим графітом і перлітною металічною основою (кількість фериту 2-8%) без структурно-вільного цементиту з твердістю у виливках товщиною 5; 10 та 15 мм, відповідно, 301-321; 260-270; 235-250 НВ.

Таким чином, установлено, що в умовах проведення даного дослідження найбільш ефективним є модифікування 0,7% Fe63Ni30Mg7 та 1,5% СБ20, яке дозволяє одержати у процесі кристалізації в структурі заевтектоїдної сталі графіт кулястої форми (ССГ>90%) та запобігти утворенню цементитної фази.

У четвертому розділі наведено результати досліджень про вплив вуглецю, кремнію та швидкості охолодження на формування структури виливків із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом, модифікованої 0,7%Fe63Ni30Mg7 та 1,5%СБ20. Визначено вплив термічної обробки на структуру та механічні властивості сталі з кулястим графітом. Досліджено вплив модифікування на ливарні властивості заевтектоїдної сталі.

Установлено, що при низькому вмісті вуглецю (1,15%) та кремнію (1,90%) в структурі виливків товщиною 5; 10 та 15 мм в модифікованій заевтектоїдній сталі графітна фаза не утворюється. Структурою виливків є перліт, який сформувався при евтектоїдному перетворенні аустеніту. За більшого вмісту кремнію (2,30% та 2,70%) структура виливків товщиною 5 і 10 мм також перлітна. І тільки у структурі виливків товщиною 15 мм формуються дрібні включення кулястого графіту діаметром до 10 мкм у кількості 36 шт/мм² при вмісті 2,30% Si та 48 шт/мм² при вмісті 2,70% Si та з'являється ферит в кількості до 2%. Найбільша твердість - 379НВ одержана у виливку товщиною 5 мм при низькому вмісті кремнію 1,90%, тобто в умовах, які сприяють утворенню в процесі евтектоїдного перетворення високодисперсних продуктів розпаду аустеніту.

При підвищенні вмісту вуглецю до 1,45% в процесі кристалізації у структурі виливків товщиною 5; 10; 15 мм утворюються включення кулястого графіту діаметром 10...13; 13...20; 18...30 мкм відповідно. Основним фактором, який впливає на кількість включень кулястого графіту, є швидкість охолодження. В залежності від вмісту кремнію кількість включень кулястого графіту у структурі виливків товщиною 5 мм знаходиться у межах 100...108 шт/мм², а у структурі виливків товщиною 15 мм - 42...60 шт/мм². При вмісті кремнію 1,90%, спостерігається незначна феритизація (2% фериту) структури виливків товщиною 15 мм. При 2,30% кремнію така ж кількість фериту утворюється вже у виливку товщиною 5 мм і з подальшим підвищенням товщини виливка подвоюється. В цілому при 1,45%С ефекти феритизації від підвищення кремнію та зменшення швидкості охолодження виливків близькі. Максимальна феритизація (14%) металевої основи одержана у виливках товщиною 15 мм при вмісті кремнію 2,70%.

Подальше збільшення вмісту вуглецю до 1,70% підвищує рівень графітизації. У середньому на 2 мкм збільшується діаметр кулястого графіту для всіх товщин виливків та кількість його включень у виливках товщиною 10 та 15 мм.

Феритизація металевої основи виливків товщиною 10 та 15 мм з вмістом кремнію 2,70% досягає 18% у виливку товщиною 15 мм. При вмісті вуглецю 1,70% вплив кремнію на зміну твердості виявляється значно в меншій мірі, ніж вплив товщини виливка. При підвищенні вмісту вуглецю з 1,45 до 1,70% твердість виливків товщиною 5 і 10 мм знижується на 35-44НВ та 25-40НВ, відповідно.

Мінімальна для проведеного дослідження твердість 245НВ одержана у виливку товщиною 15 мм при вмісті в сталі 1,70% С та 2,70% Si. Характерна мікроструктура заевтектоїдної сталі з кулястим графітом у виливках товщиною 5 та 15 мм із вмістом вуглецю 1,70% та кремнію 2,70% наведена на рис. 8.

На основі результатів експериментальних досліджень одержані математичні залежності у вигляді поліномів другого порядку, які адекватно описують сумісний вплив вуглецю (С), кремнію (Si) та товщини стінки виливка (д) на кількість включень кулястого графіту (N), на кількість фериту (Ф) та твердість (НВ) заевтектоїдної сталі з кулястим графітом і мають наступний вигляд:

N = - 897,068 +1119,19ЧC+14,7775Чд -296,893ЧC²-4,2796ЧCЧд +1,423ЧSiЧд, (1)

Ф = 77,206-34,435ЧC-46,833ЧSi-3,44293Чд+5,47045ЧSi²+0,0488889Чд² +16,2819ЧCЧSi+1,10925ЧСЧд +0,601124ЧSiЧд, (2)

НВ = 512,772-75,3443ЧC-5,3333Чд -9,15924ЧSi², (3)



де R - коефіцієнт кореляції, %

Ці залежності справедливі для наступного діапазону зміни технологічних параметрів: С=1,15 - 1,70%; Si = 1,90 - 2,70%; д = 5 - 15 мм.

На основі рівняння (1) одержані графічні залежності, які свідчать, що кількість включень кулястого графіту в структурі модифікованої заевтектоїдної сталі визначаються, насамперед, вмістом вуглецю та швидкістю охолодження виливку.

В залежності від вмісту кремнію кількість включень кулястого графіту в структурі виливків з товщиною стінки 5; 10 та 15 мм збільшується, відповідно з 113 до 119; з 79 до 90, з 55 до 72 шт./мм².

Графічні залежності які одержані за рівнянням (2), показують, що при вмісті 1,45%С з підвищенням вмісту кремнію від 1,90 до 2,70% спостерігається збільшення кількості фериту в структурі виливків із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом.

Дослідження показали, що для виливків з товщиною стінок 5 і 10 мм кількість фериту збільшується до 4-7%, а для виливка з товщиною стінки 15 мм - до 12%. З підвищенням вмісту вуглецю до 1,70% кількість фериту в структурі виливків збільшується у 1,5-2,0 рази.

Одержані за рівнянням (3) графічні залежності свідчать, що при збільшенні вмісту вуглецю від 1,45 до 1,70% та вмісту кремнію від 1,9 до 2,7% в модифікованій заевтектоїдній сталі з кулястим графітом значно знижується твердість виливків.

Мінімальна твердість 241 НВ, яка одержана у виливку товщиною 15 мм відповідає твердості виливків із сірого чавуну. Останній відноситься до легкооброблювальних різанням матеріалів.

Таким чином, одержані математичні залежності дозволяють адекватно спрогнозувати сумісний вплив вуглецю, кремнію та товщини виливка на кількість включень кулястого графіту, на кількість фериту та твердість заевтектоїдної сталі з кулястим графітом з достовірністю результатів 90-92%.

На підставі результатів досліджень розроблена заевтектоїдна сталь з кулястим графітом, яка у литому стані має наступний рівень механічних властивостей: у_в=660-680 МПа, у_0,2=520-540 МПа, д=5-8%, КС=15-35Дж/см² , 241-255 НВ.

Для подальшого підвищення механічних та службових властивостей заевтектоїдної сталі з кулястим графітом визначені режими термічної обробки, зокрема відпалу, нормалізації, гартування та відпуску. Розроблено режим термічної обробки, який забезпечує одержання високопластичної феритної заевтектоїдної сталі з кулястим графітом з наступними механічними властивостями: у_в=530-560МПа, у_0,2=400-430, КС=160-180Дж/см², д=20-24%, 150-162 НВ.

Визначення ливарних властивостей заевтектоїдної сталі з кулястим графітом показало, що внаслідок модифікування в 1,3 рази збільшується її рідкоплиність. Утворення в процесі кристалізації графітної фази призводить до зменшення лінійної усадки в 1,3 рази.

П'ятий розділ присвячений технології одержання деталей склоформуючого оснащення із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом та їх випробуванню на автоматичних лініях з виробництва скловиробів на ЗАТ ”Київський склотарний завод”.

Матеріал склоформи повинен бути інертним до розплавленої скломаси, мати достатню теплопровідність та високу термостійкість в умовах циклічного перепаду температури, високий опір руйнуванню при статичних та динамічних навантаженнях. Заевтектоїдна сталь з кулястим графітом відповідає цим вимогам і дозволяє підвищити довговічність та надійність роботи склоформуючого оснащення.

Замість сталі 40Х13, з якої традиційно виготовляються плунжери та плунжерні кільця, запропоновано перлітну заевтектоїдну сталь з кулястим графітом наступного хімічного складу: 1,45-1,75% С; 2,30-2,70% Si; 0,10-0,30% Mn; 0,03-0,10% Cr; 0,30-0,60% Ni; 0,02-0,04% S; 0,035-0,05% P; 0,03-0,040% Mg. Розроблена технологія виготовлення виливків плунжерів та плунжерних кілець із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом із застосуванням модифікування у ливарній формі. Структура литої заевтектоїдної сталі, модифікованої у ливарній формі, складається з 90-98% перліту, 2-10% фериту та включень кулястого графіту (ССГ>90%) діаметром 15...30 мкм. Твердість виливків 235-250 НВ.

Використання заевтектоїдної сталі з кулястим графітом (замість сталі 40Х13) для виготовлення деталей склоформуючого оснащення підвищує довговічність їхньої роботи на 15%. Економічний ефект від заміни заготівок з прокату сталі 40Х13 на виливки із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом становить 12000 грн. на одну тону заготівок.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовані та експериментально визначені параметри, за яких у процесі кристалізації заевтектоїдної сталі формуються сферокристали графіту і не утворюється структурно-вільний цементит, що відкриває перспективу для значного підвищення ливарних, механічних та експлуатаційних властивостей графітизованої сталі при одночасному радикальному зменшенні енергоємності її виробництва.

2. Визначено, що структуроутворення і кристалізація модифікованої заевтектоїдної сталі проходить згідно з механізмом, характерним для залізовуглецевих сплавів доевтектичного складу. Кристалізація починається із зародження і росту дендритів первинного аустеніту. При охолодженні до температури евтектичного перетворення кристалізується аустенітно-графітна евтектика. У структурі заевтектоїдної сталі, яка модифікована графітизуючими модифікаторами, утворюються включення вермикулярного графіту, що розташовуються у вигляді розірваної сітки. В результаті сфероїдизуючого модифікування магнієвими лігатурами формується евтектика - „кулястий графіт-аустеніт”.

3. Установлено, що в результаті модифікування заевтектоїдної сталі феросиліцієм ФС75 в залежності від вмісту кремнію та товщини стінки виливка розплав може кристалізуватися як з утворенням колоній з включень дрібного вермикулярного графіту, так і з утворенням більш крупних включень вермикулярного графіту, які розташовані в металевій основі у вигляді розірваної сітки. З підвищенням вмісту кремнію від 2,0 до 2,8% структура металевої основи змінюється від перлітної до перліто-феритної з часткою фериту до 40% у виливках з товщиною стінки 15 мм.

4. Модифікування силікобарієм СБ20 призводить до формування у міждендритному просторі включень вермикулярного графіту, незначної кількості дрібного кулястого графіту діаметром до 10 мкм. Металева основа заевтектоїдної сталі, яка модифікована СБ20, переважно перлітна. При модифікуванні силікокальцієм СК25 у структурі заевтектоїдної сталі можуть формуватися як включення вермикулярного, так і кулястого графіту. Показано, що утворенню вермикулярного графіту сприяє високий вміст вуглецю у сталі. За вмісту вуглецю у межах 1,4-1,7% і низькому вмісту сірки (0,008%) у структурі утворюється переважно кулястий графіт, а також вермикулярний графіт у кількості 10-15%.

5. Встановлено, що при двостадійному модифікуванні розплаву 0,7% Fe63Ni30Mg7 та 1,5% СБ20 у ливарній формі, за рахунок створення додаткових центрів кристалізації сферокристалів графіту в структурі литої заевтектоїдній сталі формуються включення кулястого графіту з високим ступенем його сфероїдизації (>90%) і не утворюється структурно-вільний цементит.

6. Одержані математичні залежності у вигляді поліномів другого порядку, які адекватно описують сумісний вплив вуглецю, кремнію та товщини стінки виливка на кількість включень кулястого графіту, кількість фериту в металевій основі та твердість заевтектоїдної сталі з кулястим графітом.

7. Визначені основні технологічні параметри плавки, хімічного складу, двостадійного модифікування магнієвою лігатурою Fe63Ni30Mg7 та силікобарієм СБ20 у ливарній формі, що забезпечують одержання сталі з кулястим графітом.

8. Розроблена заевтектоїдна сталь з кулястим графітом наступного хімічного складу (у мас. частках, %): 1,45-1,70 С; 2,30-2,70 Si; 0,10-0,30 Mn; 0,04-0,10 Cr; 0,30-0,60 Ni; 0,025-0,40 S; 0,035-0,05 P; 0,03-0,040 Mg, яка має підвищену в 1,3 рази рідкоплинність порівняно з традиційною графітизованою сталлю та наступний рівень механічних властивостей у литому стані: у_в=660-680 МПа, у_0,2=520-540 МПа, д=5-8%, КС=15-35Дж/см² , 241-255 НВ.

9. Досліджено режими термічної обробки, зокрема нормалізації, відпалу, гартування та відпуску, які дозволяють підвищити механічні та службові властивості сталі з кулястим графітом. Розроблено режим відпалу, який забезпечує феритизацію металевої основи заевтектоїдної сталі з кулястим графітом і одержання наступних механічних властивостей: у_в=530-560МПа, у_0,2=400-430, КС=160-180Дж/см², д=20-24%, НВ=150-162. Феритна сталь з кулястим графітом відрізняється від традиційної графітизованої сталі феритного класу підвищеними показниками міцності на 30%, підвищеними у 2,0-2,3 рази відносним подовженням та ударною в'язкістю.

10. Розроблено технологію одержання виливків із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом на основі застосування внутрішньоформового модифікування. Для ЗАТ „Київський склотарний завод” виготовлені виливки плунжерного кільця та плунжера інструменту склоформуючого оснащення.Проведена дослідно-промислова перевірка їх довговічності на автоматичній лінії з виготовлення скловиробів. Встановлено, що довговічність плунжерного кільця та плунжера із заевтектоїдної графітизованої сталі з кулястим графітом, порівняно з подібними деталями із сталі 40Х13, підвищується на 15%. Економічний ефект від заміни заготівок з прокату сталі 40Х13 на виливки із заевтектоїдної сталі з кулястим графітом становить 12000 грн. на одну тону заготівок.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Козак Д.С. Вплив феросиліцію та нікель-магнієвої лігатури на структуроутворення заевтектоїдної сталі // Металознавство та обробка металів.-2003.-№2.-С.10-12.

2. Бубликов В.Б., Козак Д.С., Зеленая Л.А. Влияние углерода и кремния на структурообразование заэвтектоидной стали с шаровидном графитом // Литейное производство.-2006.-№8.-С.9-12.

3. Бубликов В.Б., Козак Д.С., Зеленая Л.А., Ширяев В.В. Влияние графитизирующего модифицирования на структурообразование графитизированной стали // Процессы литья.-2003.-№4.-С.29-35.

4. Бубликов В.Б., Козак Д.С., Нестерук С.П., Зеленая Л.А. Об особенностях кристаллизации модифицированной графитизированной стали // Процессы литья.-2004.-№2.-С.41-46.

5. Козак Д.С., Бубликов В.Б., Зеленая Л.А., Берчук Д.Н. Нестерук С.П. Графитизация модифицированной заэвтектоидной стали // Тез. докл. международ. конф.- Киев.- 2004. - С.46-48.

6. Козак Д.С., Бубликов В.Б., Берчук Д.Н., Нестерук С.П. Об использовании силикокальция для получения заэвтектоидной стали с шаровидным графитом // Тез. докл. научно-технического конгресса „Литейное производство - высококачествен-ные отливки на основе эффективных технологий” - Киев.- 2005. - С.61-62.

7. Козак Д.С., Бубликов В.Б., Зеленая Л.А. Пути создания технологии получения стали с шаровидным графитом // Тез. докл. научно-технического конгресса „Процессы плавки, обработки и разливки металлов: отливки, слитки, заготовки”- Киев.- 2006. - С.29-30.

8. Козак Д.С., Бубликов В.Б., Зеленая Л.А. Технология получения отливок из стали с шаровидным графитом // Тез. докл. II международной научно-практической выстаки-конференции.- Запорожье,- 2006, - С.96-97.

9. Козак Д.С., Бубликов В.Б., Зеленая Л.А., Ширяев В.В. Прогрессивная технология получения отливок из заэвтектоидной стали с шаровидным графитом // Тез. докл. научно-технического конгресса „Литейное производство на рубеже столетий”.- Киев,- 2003, - С.90-91.

10. Козак Д.С., Бубликов В.Б., Зеленая Л.А., Великий А.И. Влияние модифицирования на структурообразование графитизированной стали // Тез. докл. научно-технического конгресса „Литейное производство в новом веке - как победить в конкуренции”- Киев,- 2002, - С.20.

11. Патент UA 61520 А. МКІ С22С38/00,С22С38/40. Графітизована сталь / Бубликов В.Б., Козак Д.С., вид. 17.11.2003.

12. Патент UA 102296 МКІ С22С38/00,С22С38/40. Феритна графітизована сталь / Бубликов В.Б., Козак Д.С., Берчук Д.Н., Нестерук С.П. та ін., вид. 15.11.2005.

Размещено на Allbest.ru