научная статья по теме СФЕРОИДИЗАЦИИ ГРАФИТА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА Физика

Текст научной статьи на тему «СФЕРОИДИЗАЦИИ ГРАФИТА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 2, с. 98-103

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.111.2: 620.181

СФЕРОИДИЗАЦИЯ ГРАФИТА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

© 2004 г. А. А. Баранов, Д. А. Баранов

Донецкий национальный технический университет, 83000 Донецк, ул. Артема, 58

Поступила в редакцию 23.06.2003 г.

В формировании структуры и свойств железных сплавов большую роль играют процессы сферои-дизации кристаллов избыточных фаз. Переход от неравноосных кристаллов к равноосным, как правило, ведет к повышению пластичности и вязкости сплавов, что является одной из задач термической обработки.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Сфероидизация цементита в сталях и чугунах изучена сравнительно полно [1, 2]. Показано, что под влиянием предварительной пластической деформации неравноосные кристаллы цементита, входящие в состав эвтектоидных и эвтектических колоний, при отжиге интенсивно делятся на части и сфероидизируют. Замена изотермической обработки термоциклической ускоряет сфероиди-зацию цементита. Термоциклирование оказалось эффективным и для сфероидизации неравноосных частиц сульфидов в деформированной конструкционной стали [3]. Менее полно изучена сфероидизация графита в железных сплавах. Крупный пластиночный графит в серых чугунах обладает высокой термической стабильностью и попытки изменить его форму изотермической или термоциклической обработкой, как правило, заканчивались неудачей [4]. В отличие от чугуна с крупным пластиночным графитом, в чугуне с дисперсным междендритным графитом термоциклическая обработка (ТЦО) приводила к сфероидизации и перераспределению графита, благодаря чему графит накапливался в центре и на периферии колоний [5]. Причины формоизменения разветвленных кристаллов графита эвтектических колоний авторы [5] связывают с ликвационными явлениями. Растворимость углерода в аустените и температура эвтектоидного превращения зависят от локального содержания кремния в твердом растворе и это, по мнению авторов [5], ведет при термоциклической обработке чугуна к разделению центральных участков и периферии колоний прослойкой аустенита, не содержащей графит. В результате непрерывность графитного скелета эвтектической колонии устраняется.

В последние годы в технологию высокопрочного чугуна включают пластическую деформацию, под влиянием которой графит испытывает формоизменение [6]. При прокатке и ковке чугуна без кантования графит приобретает вид эллип-

соидов и дисков, а после обжатий 60-80% - вид пластин, однообразно ориентированных вдоль течения металла. Прокатка и ковка с кантованием на 90° придают графиту стержнеобразный вид. Формоизменение графита сказывается на физико-механических свойствах чугуна, который под влиянием деформации становится анизотропным [7]. В ряде случаев технолог удачно использует анизотропию чугуна при проектировании изделий, поскольку в определенных плоскостях и направлениях деформированный высокопрочный чугун обладает высокой прочностью, вязкостью, сопротивлением коррозии и износу. Удается это, однако, не всегда. В связи с этим появляется необходимость в устранении анизотропии чугуна и возвращении графиту шаровидной формы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Термическую стабильность деформированного графита и влияние на нее режима термической обработки изучали на высокопрочном чугуне двух плавок, разлитых в песчано-глинистые формы диаметром 50 мм. Чугун плавки А содержал: 2.88% С, 2.84% 0.78% Мп; 0.015% Б; 0.08% Р; 0.08% Сг и 0.048% М§, а чугун плавки Б содержал 2.60% С; 1.54% 0.51% Мп; 0.032% Б; 0.037% Р; 0.04% Сг и 0.031% М§. Чугун плавки А подвергали двойному модифицированию и в нем число включений графита составляло 105 мм-3. В чугуне плавки Б их было на 2 порядка меньше. Чугун плавки А подвергали горячей прокатке на гладкой бочке стана 340 при 900-1050°С в несколько проходов с общим обжатием 60%. Чугун плавки Б деформировали осадкой под молотом в двух взаимно перпендикулярных направлениях при 850-1050°С с уковом 6. Изменение структуры чугуна изучали под микроскопом КеорИо{-21 при увеличениях 100...500 до и после изотермической обработки при 1000°С в течение 0.25-2.0 ч и термо-

циклической обработки по режиму 1000 -—-680°С с выдержкой при конечных температурах цикла 0.25 ч. Всего проведено 1, 5 и 10 термоциклов. Приведенные в работе количественные данные получены усреднением результатов анализа не менее 200 включений графита для каждой обработки.

В исходной структуре образцов чугуна обеих плавок присутствовало 100% шаровидного графита. После прокатки и ковки выявлялись деформированные графитные частицы, вытянутые вдоль течения металла. В прокатанных образцах графит имел вид плоских дисков (рис. 1а), а в кованых - вид стержней и волокон (рис. 2а), что было установлено на основании анализа структуры чугуна в трех взаимно перпендикулярных сечениях: на боковой поверхности, в плоскости осадки и в поперечном сечении. В прокатанных образцах выявлялись графитные диски с клинообразными поясками, с "хвостами" и "усами" [6]. Стержни и волокна графита в кованом чугуне имели гладкую и волнистую поверхность, что свидетельствует о неравномерном характере деформации вдоль вытянутых включений.

Термическая обработка деформированного чугуна по-разному сказывалась на форме графита. В отличие от серого чугуна с пластиночным графитом длина графитных дисков деформированного чугуна А уменьшалась в основном благодаря устранению "хвостов" и "усов". В центральных участках включений возникали локальные утолщения (рис. 16). После 10 термоциклов можно обнаружить включения графита почти равноосной формы (рис. 1в).

Графитные включения в чугуне плавки Б значительно крупнее, многие из них имели волокнистый вид. При термической обработке они испытывали существенные изменения. Во время выдержки при 1000°С на волокнах графита развиваются наросты и впадины, а в отдельных участках происходит деление волокон на части (рис. 26). Термоциклическая обработка действует более эффективно. Уже после первого цикла можно наблюдать усложнение профиля межфазной поверхности (рис. 2в) за счет образования многочисленных выступов и впадин, а после 10 термоциклов обнаруживается разделение графитных волокон на несколько частиц и их сфероидизация (рис. 2г). О первоначальной форме графита можно судить по штрихам, соединяющим разделившиеся части графита. Отметим, кстати, увеличение числа мелких графитных частиц в термоциклированном чугуне плавки Б, что связано с процессами сфероидизации деформированных частиц, а также с возникновением новых, обособленных графитных частиц (рис. 2д). В последнем случае графит имеет почти шаровидную форму, что подтверждено при металлографическом исследовании термоциклированного чу-

Рис. 1. Структура горячекатаного чугуна плавки А до (а) и после изотермической (б) и термоциклической обработки (в); х100.

гуна в трех взаимно перпендикулярных сечениях. Подобный эффект термоциклической обработки наблюдался в деформированной стали Х12, в которой происходил рост мелких частиц хромистых карбидов за счет растворения крупных деформированных карбидов [8].

Количественно степень формоизменения графитных частиц при термоциклической обработке деформированного высокопрочного чугуна оценивали по изменению отношения максимальной высоты включений к к их длине Ь. В результате прокатки с обжатием 60% отношение к/Ь изменилось от 1.0 до 0.22 (рис. 3) С циклами значение к/Ь увеличивалось, а после 10 термоциклов оно составило 0.38, что обусловлено растворением кромок и развитием наростов. Диаметр графитных волокон после ковки плавки Б в 3 раза меньше диаметра шаровидных включений до ковки ё0. По мере термоциклирования максимальный

Рис. 2. Структура горячекованного чугуна плавки Б до (а) и после изотермической (б) и термоциклической обработки (в - 1 цикл; г и д - 10 циклов): в, г - боковая поверхность, д - поперечное сечение; хЮО.

поперечник графита увеличивается (заштрихованные столбики, рис. 36). Вновь образующиеся графитные частицы приобретали практически шаровидную форму, что на рис. 36 характеризуется неза-штрихованными столбиками.

Таким образом деформированный графит при термической обработке высокопрочного чугуна испытывает изменения, обусловленные избирательным растворением пластин и волокон, делением последних на части с последующей сфероидиза-цией разделившихся частиц. В местах разделения графита обнаруживаются штрихи, регистрирующие первоначальную форму включений. Природа штрихов изучена недостаточно. Можно предполагать, что в формировании их участвуют неметаллические включения, которые попадают в графит в процессе его роста при кристаллизации чугуна, а также микропоры и остатки нераство-рившегося графита. Роль микропор, образую-

щихся при растворении графита и увеличивающих объем чугуна, обсуждалась в работе [2]. С ними связана зависимость кинетики сфероиди-зации от природы высокоуглеродистых фаз: це-ментитные кристаллы сфероидизируют гораздо быстрее графита. По данным работы [9], неметаллические включения присутствуют в крупном графите закристаллизовавшегося чугуна. Имея в виду, что штрихи выявлялись в чугуне плавки Б с крупными включениями графита, и реже в чугуне плавки А, участие неметаллических включений в образовании штрихов вполне возможно. В связи с тем, что штрихи могут влиять на физико-механические свойства чугунных изделий, исследование механизма формоизменения графита с образованием штрихов имеет прикладное значение. Следует иметь в виду, что выбором исходной структуры высокопрочного чугуна, в частности дисперсности графита, и технологии обработки давлением

можно воздействовать на качество чугуна после термической обработки.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

При обсуждении полученных данных рассмотрим роль анизотропии кристаллов деформированного графита и дефектности его структуры. В соответствии с работой [10], концентрация Сс в твердом растворе вблизи анизотропного ограненного кристалла меняется по контуру его, а вблизи грани 1 определяется значением поверхностного натяжения смежных поверхностей:

Сс = Со ехр I —

V с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»