Влияние химического состава на механические свойства и структуру серого легированного чугуна отливки "Гильза цилиндра" тепловозного дизеля Д 100

Размещено на http://www.allbest.ru/

влияние химического состава на механические свойства и структуру серого легированного чугуна отливки «гильза цилиндра» тепловозного дизеля д 100

УДК 621.74

химический механический тепловозный отливка

Д.С. Краснятов

Исследовано влияние химического состава на механические свойства и структуру серого легированного чугуна отливки «Гильза цилиндра». Выведены уравнения зависимостей между химическим составом и механическими свойствами, механическими свойствами и структурой чугуна. Предложен оптимальный химический состав отливки «Гильза цилиндра» тепловозного дизеля Д 100, обеспечивающий требуемые свойства и структуру чугуна.

Данная работа по оптимизации химического состава проводилась с целью снижения количества используемых легирующих элементов при сохранении стабильности механических свойств и структуры отливки «Гильза цилиндра».

Исходные данные для составления математических корреляционных зависимостей, а также для построения графиков взяты на ОАО «ПК «БМЗ» («Металлургическое производство»).

В настоящее время отливку «Гильза цилиндра» изготовляют из серого легированного чугуна марки СП следующего состава: C - 2,7…3,1 %; Si - 1,7…2,0 %; Mn - 0,8…1,1 %; P - не более 0,2 %; S - не более 0,06 %; Cr - 0,3…0,6 %; Ni - 0,9…1,2 %; Cu - 0,3…0,6 %; Mo - 0,5…0,7 %. Структура данного чугуна - мелкопластинчатый перлит (сорбит) с равномерно распределёнными включениями графита прямолинейной или завихрённой формы (длина графитных включений не должна быть более 180 мкм). При этом марочником завода лимитировано содержание цементита в структуре - 2…5 %. Также контролируется предел прочности - не менее 300 МПа.

Анализ проводился по выборке из 433 плавок (данные за январь 2004г. - апрель 2006г.). При составлении уравнений парной корреляции, а также графиков влияния элементов осуществлялась «фиксация» всех химических элементов, за исключением определяемого, с целью снижения их влияния на структуру и механические свойства. Анализ проводился для следующих элементов: углерод, кремний, марганец, фосфор, сера, хром, никель, медь, молибден. При составлении уравнений множественной корреляции использовался полный набор данных.

Углерод. Данный элемент является сильным графитизатором серого чугуна, в результате чего снижается содержание цементита в структуре. Увеличение содержания углерода приводит к снижению предела прочности ув (прочность графита ниже прочности цементита). Графит повышает антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия, он улучшает обрабатываемость резанием (для отливки «Гильза цилиндра» это важно, так как она подвержена значительной обработке резанием). Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным ко всевозможным концентраторам напряжений и вибраций.

Кремний. Он способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Из-за увеличения содержания графита в структуре снижается твёрдость. Кремний снижает устойчивость эвтектических и эвтектоидных карбидов. Он легирует феррит чугуна, что увеличивает его прочность.

Марганец. Он увеличивает количество цементита в чугуне, перлитизирует чугун, в результате чего повышаются его механические свойства. В присутствии марганца происходит обессеривание чугуна по реакции FeS +Mn = Fe + MnS и его раскисление по реакции FeO + Mn = Fe + MnO. При большой концентрации марганца образуются термически устойчивые карбиды Mn3C, Mn3C•Fe3C, при этом в карбидной фазе часть атомов железа замещены атомами марганца. При содержании марганца более 5 % металлическая основа чугуна становится аустенитной после кристаллизации и охлаждения.

Сера, адсорбируясь на центрах кристаллизации графита, затрудняет их рост, тем самым способствует кристаллизации чугуна. Она является вредной примесью, ухудшающей как литейные, так и механические свойства чугуна. Сера также образует сульфиды (FeS, MnS) или их твёрдые растворы (Fe, MnS), ухудшающие механические свойства чугуна.

Фосфор. Снижая температуру эвтектического превращения расплава, он выступает графитизатором чугуна, что влияет на содержание цементита в структуре. При повышенном содержании фосфора в структуре образуются твёрдые включения двойной фосфидной эвтектики (Fe3P + аустенит). Эвтектика улучшает литейные свойства, но из-за низкой растворимости в твёрдом состоянии способствует появлению эффекта «хладноломкости».

Хром является легирующим элементом. Это карбидообразующий элемент, он ограничивает процесс графитизации, влияя в 3 раза сильнее углерода и в 1,5 раза сильнее кремния. Он способствует образованию термически устойчивых карбидов типа (Fe, Cr)3С, Cr7C3, Cr23C6 и тем самым повышает твёрдость чугуна. Наряду с этим хром заметно упрочняет феррит, вызывает измельчение графитных включений, что способствует увеличению предела прочности.

Медь графитизирует и перлитизирует чугун. При высокой концентрации она является вредной примесью, так как вследствие низкой растворимости в железе происходит выпадение металлических включений меди, в основном по границам аустенитных зёрен, что резко снижает механические характеристики.

Никель также является легирующим элементом, легируя феррит перлита, и измельчает включения графита. Он выступает как графитизирующий элемент, поэтому увеличение содержания никеля вызывает понижение твёрдости перлитно-цементитной структуры отливки «Гильза цилиндра».

Молибден, растворяясь в цементите, замещает атомы железа (но только до 3 %). При этом состав цементита может быть выражен формулой (Fe, Mo)3С. Из-за низкого содержания молибдена специальные карбиды (Мо6С и Мо4С) в чугуне для гильз образовываться не будут.

Для таких элементов, как никель, молибден и фосфор, уравнения парных корреляций не выводились и графики зависимостей не строились ввиду очень малого разброса значений.

Уравнения парных корреляций имеют следующий вид.

Углерод С:

Ц = - 2,4086С + 9,7663, %;

ув = - 469,3С + 1760,8, МПа.

Кремний Si:

Ц = - 2,8791Si + 8,2437, %;

ув = - 78,418Si + 535,95, МПа.

Марганец Mn:

Ц = - 21,996Mn + 23,342, %;

ув = 127,86Mn + 274,13, МПа.

Сера S:

Ц = 32,961S +2,1422, %;

ув = - 1580,7S + 357,17, МПа.

Хром Cr:

Ц = 6,9338Cr - 0,1324,%;

ув = 31,405Cr + 370,31, МПа.

Медь Cu:

Ц = - 14,783Cu + 9,2348, %;

ув = 258,7Cu + 278,39, МПа.

Уравнения комплексной корреляции имеют следующий вид.

Предел прочности ув:

Количество цементита в структуре Ц:

.

Графики показывают комплексное влияние углерода С и кремния Si на прочность ув (рис.1) и содержание цементита Ц (рис.2) в структуре отливки «Гильза цилиндра».

Рис. 1. Зависимость предела прочности ув от содержания углерода С и кремния Si в структуре чугуна отливки «Гильза цилиндра»

Рис. 2. Зависимость количества цементита Ц от содержания углерода С и кремния Si в структуре чугуна отливки «Гильза цилиндра»

Из графиков видно, что увеличение количества углерода С и кремния Si в химическом составе приводит к снижению предела прочности и количества цементита. Это обусловлено тем, что каждый из данных элементов является графитизатором.

В результате решения приведённых уравнений определяем следующий диапазон химического состава: С - 2,8…2,85 %; Si - 1,75…2,0 %; Mn - 1,04…1,1 %; P > 0,065 %; S > 0,03 %; Cr - 0,3…0,4 %; Ni - 0,9…1,2 %;Cu - 0,35…0,45 %; Мо - 0,55…0,6 %, - который обеспечивает значение предела прочности ув = 356 МПа при наличии в структуре 3,5 % цементита.

В заключение можно сказать, что так как гильза цилиндра тепловозного двигателя Д 100 работает в сложных условиях (тепловые, а также ударные нагрузки), то необходимо обеспечить механические показатели на указанном уровне. Для этого следует ограничить содержание графитизирующих элементов (углерод, кремний). Однако чрезмерное занижение количества данных химических элементов может привести к отбелу, что отрицательно скажется на обрабатываемости отливки. Особое внимание следует уделить сере и фосфору, так как это вредные примеси, снижающие механические свойства детали. С другой стороны, фосфор, образуя фосфиды, увеличивает износостойкость, что важно для гильзы исходя из условий её работы, поэтому его содержание нужно поддерживать на оптимальном уровне (обычно ? 0,3 %).

Размещено на Allbest.ru