Дефекты структуры графита в высокопрочном чугуне и их предотвращение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дефекты структуры графита в высокопрочном чугуне и их предотвращение

Р.Г. Усманов, В.А. Изосимов

Аннотация

Статья написана на основании личного опыта авторов и литературных данных. В статье показаны основные виды дефектов структуры графита и причины их появления, часто получаемых при обработке жидкого чугуна Si - Mg - Ce - ми модификаторами.

Отклонение в технологическом процессе производства отливок из высокопрочного чугуна и химическом составе шихтовых материалов приводят к многочисленным дефектам структуры.

При визуальном контроле можно получить некоторую полезную информацию о структуре чугуна и её дефектах. Например, визуальное изучение излома может выявить наличие шаровидного графита, всплывание глобулей графита, наличие неметаллических включений и карбидов, оценить хрупкость или вязкость излома. Визуальное изучение литой поверхности отливки после очистки позволяет выявить ситовидную пористость или неметаллические включения, и соотнеся расположение дефектов с расположением и особенностями литниковой системы и прибылей, можно сделать вывод о происхождении наблюдаемых дефектов. Однако, для выявления дефектов структуры и определения причин их возникновения необходимы металлографические исследования

Стандарты 3443-87 классифицируют типы графита в соответствии со схематическим изображением наблюдаемых в практике структур. Имеются также несколько эталонов для быстрой оценки количества и размеров включений графита, количества карбидов, феррита и перлита в структуре чугуна. Следует, однако, иметь в виду, что оценка количества глобулей графита с помощью эталонов не даёт точных результатов, если преобладающие размеры глобулей, приведённые в ГОСТе, не соответствуют тем, что имеются в контролируемом шлифе. Следует также иметь в виду, что хотя классификационные эталоны помогают в количественной оценке структуры, они не охватывают всего разнообразия наблюдаемых форм графита.

Присутствие в чугуне с ферритной основой наряду с шаровидным графитом глобулей вторичного шипообразного графита на первичных глобулях (рис 1а),

а также следов компактного графита ещё не приводят к заметному снижению ударной вязкости в чугуне. Глобули с шипами окружены ферритовой оторочкой. Наличие в чугуне такого типа графита обычно указывает на следующее:

1. Низкая степень зарождения центров графитизации из-за несовершенной технологии вторичного модифицирования или длительной выдержки жидкого чугуна и затухания эффекта модифицирования во времени.

2. Слишком низкое остаточное содержание магния.

3. Использование очень чистых шихтовых материалов в сочетании с церийсодержащей магниевой лигатурой.

Форма графита в этом случае может быть улучшена при введении в жидкий чугун небольших количеств сурьмы, меди, мышьяка.

Наряду с шаровидным графитом может присутствовать графит в виде сравнительно коротких толстых пластин с округлыми концами - вермикулярный графит (компактный) (Рис.1б), расположенных в виде эвтектических колоний.

Чугуны с вермикулярным графитом имеют промежуточные свойства между свойствами серого и высокопрочного чугуна. Уровень свойств зависит от соотношения количества шаровидного и вермикулярного графита в структуре чугуна. дефект графит чугун мишметалл

Образование вермикулярного графита обычно связано с низким остаточным содержанием магния в чугуне. В то же время модифицирование чугуна в форме обеспечивает образование шаровидного графита даже при пониженном содержании магния.

Среди других факторов, влияющих на образование шаровидного графита, наиболее важными являются следующие:

1.Недостаточное введение кремния при вторичным модифицировании.

2.Быстрая кристаллизация в тонких стенках отливок, при которой

образуется большое количество глобулей графита и одновременно стимулируется рост компактного графита. Этот эффект следует учитывать, так как иногда результаты исследования графита в пробе, имеющем малое сечение, распространяют на отливку в целом, скорость охлаждения которой меньше, чем у пробы.

3. Наличие деглобуляризирующих примесных элементов, таких как титан, увеличивающих предел содержания магния, ниже которого образуется компактный графит. Добавка титана в сочетании с РЗМ - метод получения чугуна с вермикулярным графитом.

В массивных сечениях отливок из высокопрочного чугуна наряду с шаровидным графитом может присутствовать и вермикулярный графит, что приводит к резкому снижению относительного удлинения и ударной вязкости.

Среди факторов, способствующих образованию колоний мелкого компактного графита - междендритного графита (рис.1в), наиболее важными являются следующие:

1. Использование добавок цериевого мишметалла при глобуляризирующей обработке чугуна, выплавленного на шихтовых материалах высокой чистоты.

2.Использование шихтовых материалов высокой чистоты и глобулязирирующая обработка чугуна с высоким углеродным эквивалентом. Иногда приходится ограничивать содержание углерода до 3,4% и кремния до 2,5% для предотвращения образования мелкого компактного графита. Менее ярко выраженная форма такого графита может быть обнаружена в сравнительно небольших отливках при повышенном содержании в чугуне, выплавленном на шихте высокой частоты, церия и кремния . При этом наблюдается резкое снижение механических свойств чугуна.

В чугуне, содержащем наряду с церием микропримеси висмута, мелкий компактный графит не обнаруживали. Из этого следует, что существует определённое критическое соотношение между частотой шихтовых материалов, способом обработки расплава и структурой графита в чугуне.

В высокопрочном чугуне, полученном обработкой расплава магниевыми лигатурами не содержащими церий, иногда образуется пластинчатый графит (рис.1г). Его образование связано с наличием в чугуне некоторых примесных элементов /2/. Установлено, что мышьяк вызывает образование вместо шаровидного графита - пластинчатого типа ПГф 4 (ГОСТ 3443-87), титан, свинец, висмут - пластинчатого типа ПГр8 и ПГр9 (междендридного) .

Небольшое количество цериевого мишметалла в магнийсодержащих лигатурах обычно подавляет отрицательное действие примесных элементов на глобуляризацию графита. Опасность образования пластинчатого графита и при использовании в шихте весьма чистых материалов возрастает по мере увеличения сечения отливки.

Образование «крабообразного» графита (рис.1д) связано обычно с высоким содержанием остаточного магния в чугуне (передозировка модификатора). При этом наблюдается резкое снижение механических свойств и увеличение количества цементита в чугуне.

В некоторых случаях в отливках наблюдается появление «вырожденного» пластинчатого графита (рис.1е) с укрупнённой игольчатой формой (ПГф3). При этом наблюдается сильное падение механических свойств чугуна.

Причины образования: наличие в шихте одновременно Sn, Sв, Bi, Ti или Zn особенно в тонких частях отливок.

В чугуне с чрезмерно высоким углеродным эквивалентом образуются крупные разреженные глобули эквивалентного графита (ШГф1, ШГф2) (рис.1ж). Такие глобули равномерно распределены в тонких сечениях отливки, а в средних и толстых - всплывают, и обнаруживаются в виде скоплений в верхней части отливок. Такой графит, как правило наблюдается в заэвтектических чугунах при обработке церийсодержащими лигатурами при снижении содержания вредных элементов. При этом не наблюдается снижение механических свойств чугуна.

Измельчению глобулей графита способюствует использование шихтовых материалов высокой чистоты при глобуляризируюшщей обработке цериевым мишметаллоом.

Крупные глобули графита снижают механические свойства чугуна. Нормальным является то, что на шлифе всегда наблюдаются глобули различного размера, поскольку глобули в плоскости шлифа рассечены на разном расстоянии от центра глобулей.

Однако диапазон колебания размеров глобулей иногда очень велик.

Причины этому следующие:

1. Заэвтектический состав чугуна, при котором глобули заэвтектического графита успевают вырасти до начала эвтектической кристаллизации.

2.Позднее вторичное модифицирование. Хотя оно и приводит к образованию большого количества мелких глобулей эвтектического графита, но практически не влияет на размер глобулей заэвтектического графита /3/.

На предел прочности и ударную вязкость чугуна мало влияет диапазон размеров глобулей. На развитие трещин при ударе крупные глобули не оказывают преимущественного влияния.

Сегрегация глобулей заэвтектического графита у верхних поверхностей под стержнями в средних и крупных отливках из ВЧ хорошо известный и часто наблюдаемый дефект (рис.1з).

В большинстве случаев ВЧ имеет состав, близкий к эвтектическому. Поэтому всегда имеется опасность всплывания глобулей, если углеродный эквивалент чугуна получается немного выше заданного.

Всплывание шаровидного графита иногда хорошо видно в поверхностном слое отливки, при наличии в нём пластинчатого графита.

Неравномерное распределение графита в разных слоях создаёт условия для получения неодинаковых свойств в разных частях отливки.

В чугуне с низким остаточным содержанием магния могут образовывать смешанные формы графитовых включений. Взаимодействие между магнием и серой или кислородом, содержащихся в материале формы, приводит к тому, что металл обедняется магнием до уровня, недостаточного для глобуляризации графита.

Рис. 1. Дефекты структуры графита.

Литература

1. Nodylar Iron: Possible structural Defects and Ther Prevention.

Barton R. Foundry Trade J., July 14, 40-53, 63

2. Р.П. Тодоров, П.Ц. Пешев, Дефекты в отливках из чёрных металлов, М. «Машиностроение» 1984.

3. Чугун Справочник под редакцией А.Д. Шермана и А.А. Жукова, М. «Металлургия», 1991

Размещено на Allbest.ru