ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 1, с. 94-104
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.131.7:539.89
ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ © 2013 г. А. С. Чаус*, Я. Сойка*, А. И. Покров^ий**
*Материало-технологический факультет Словацкого технического университета, Паулинска 16, 917 24 Трнава, Словакия **Физико-технический институт НАНБеларуси, Минск, ул. Купревича 10, Беларусь 220141
e-mail: alexander.chaus@stuba.sk Поступила в редакцию 18.01.2012 г.; в окончательном варианте — 02.05.2012 г.
Изучено влияние горячей пластической деформации на трансформацию первичной (литой) микроструктуры высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Обсуждены результаты металлографического, с использованием светового и растрового электронного микроскопов, и микрорентгено-спек-трального анализов экспериментальных образцов чугуна в литом и деформированном состоянии. Показано, что увеличение степени пластической деформации от 20 до 80% вызывает существенные изменения микроструктуры как в перлитно-ферритной матрице, так и в графитных включениях чугуна.
Ключевые слова: чугун с шаровидным графитом, горячая пластическая деформация, микроструктурные превращения, матрица, графит.
DOI: 10.7868/S0015323013010038
ВВЕДЕНИЕ
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является одним из наиболее перспективных современных литейных конструкционных материалов, широко используемых для изготовления высококачественных отливок [1, 2]. Однако возможности улучшения хорошо сбалансированного в литом состоянии комплекса свойств за счет улучшения структуры путем модифицирования расплава на стадии кристаллизации отливок или же последующей термической обработки являются практически исчерпанными. Поэтому в последние десятилетия предпринимались и предпринимаются попытки получения полуфабрикатов из высокопрочного чугуна не только с помощью классической литейной технологии, но и различными нетрадиционными для данного класса материалов методами, к которым относятся прежде всего различные технологии горячего пластического деформирования [3—10] и даже холодное пластическое деформирование [11]. При этом было установлено, что в результате пластической деформации в высокопрочном чугуне формируется специфическая микроструктура [12—18], обеспечивающая совершенно отличные с литым состоянием свойства, что позволяет считать деформированные чугуны особым классом конструкционных материалов.
Новые перспективы, с точки зрения расширения уникальных структур и свойств высокопрочного чугуна, открывает технология так называемого горячего гидродинамического выдавливания, разработанная в Физико-техническом институте НАН Беларуси [19], позволяющая получать из литых полуфабрикатов изделия окончательной формы даже из труднодеформируемых материалов, к которым относится, например, быстрорежущая сталь [20]. Однако в литературе, посвященной деформации высокопрочного чугуна, практически отсутствуют данные, детально описывающие изменения исходной литой структуры под воздействием горячей или холодной пластической деформации на субмикроскопическом уровне. Как правило, в выполненных на эту тему работах приводятся снимки микроструктур высокопрочного чугуна после пластической деформации при малых увеличениях, которые отражают лишь общие закономерности изменения формы графитных включений [2—6, 10, 14, 17]. Но самое важное, что в них не рассматриваются особенности пластической деформации, например, самих сфероидов графита с учетом особенностей их внутреннего строения. Исходя из вышеизложенного в настоя-1
щей работе с использованием светового и глав-
1 Работа выполнена благодаря финансовой поддержке по проекту VEGA № 1/0099/10.
Таблица 1. Химический состав исследуемого высокопрочного чугуна, мас. %
Fe С Si Mn Cr Ni Mg P S
Основа 3.52 1.98 0.61 0.14 0.35 0.042 0.068 0.011
ное высокоразрешающего растрового электронного микроскопов, а также микрорентгеноспек-трального анализа изучено влияние горячей пластической деформации на трансформацию первичной (литой) микроструктуры высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при горячем гидродинамическом выдавливании литых заготовок.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Высокопрочный чугун, химический состав которого указан в табл. 1, выплавляли в высокочастотной индукционной электрической печи с кислой футеровкой с емкостью 150 кг. В качестве шихты использовали чугунный и стальной лом, а также передельный чугун марки ПЛ2 (ГОСТ 805-80). Сфероидизирующую обработку расплава осуществляли методом внепечной обработки в ковше модификатором типа ФСМг ^е81М§7Са03). Для обеспечения необходимого количества дополнительных центров кристаллизации графита применяли ферросилиций марки ФС75 (ГОСТ 1415-93). Обработанный жидкий металл заливали при температуре 1310°С в песчано-глинистые (бентонитовые) формы для получения цилиндрических отливок диаметром 60 мм и длиной 300 мм.
Из отливок обработкой резанием изготавливали экспериментальные образцы 027 и длиной 27 мм) для металлографического и микрорентге-носпектрального анализов, а также заготовки различного диаметра для горячей пластической деформации. Горячее пластическое деформирование образцов по схеме горячего гидродинамического выдавливания (рис. 1) проводили в лаборатории пластичности Физико-технического института НАН Беларуси. Литые заготовки деформировали с различной фиксированной степенью деформации е = 20, 60 и 80%. Выдавленный пруток имел при всех степенях деформации одинаковый диаметр, составляющий 12.5 мм. Степень деформации регулировали изменением диаметра исходной заготовки.
Образцы перед выдавливанием нагревали до температуры 1000°С в установке индукционного нагрева с рабочей частотой 2.4 КГц, что обеспечивало их равномерный прогрев. Время нагрева составляло 30—40 с в зависимости от сечения образца. Рабочую температуру контролировали с помощью оптического пирометра ФЭП-4. После выдавливания заготовки охлаждали на воздухе.
Микроструктуру чугуна изучали с помощью светового микроскопа NEOPHOT-22 и растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7600F, оборудованного приставкой Oxford Instruments для микрорентгеноспектрального анализа. Образцы для металлографических исследований подготавливали по стандартной методике. После шлифования и полировки образцы протравливали в травителе — 3% нитале. Статистическую обработку снимков микроструктур осуществляли с помощью компьютерной программы ImageJ.
Испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84 на испытательной разрывной машине модели ZD-15 (Германия) с использованием в каждом случае пяти стандартных образцов с диаметром "шейки" 6 мм и длиной 30 мм. Полученные усредненные значения предела прочности при растяжении округляли до 5 МПа. Измерение микротвердости осуществляли по Вик-керсу на твердомере INDENTA MET 1100 с использованием нагрузки 1 Н в соответствии со стандартом ISO 6507-4:2005. Проводили десять измерений для каждого образца, полученные значения микротвердости округляли до 5 HV 0.1.
Усилие
Рис. 1. Схема горячего гидродинамического выдавливания:
1 — пуансон; 2 — контейнер; 3 — графитный вкладыш; 4 — заготовка; 5 — графитный пресс-остаток; 6 — матрица.
Рис. 2. Микроструктура высокопрочного чугуна в литом состоянии на протравленных (а, б, в) и непротравленном (д) шлифах:
а, б, в — световой микроскоп; г — РЭМ.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Микроструктура чугуна после литья представлена на рис. 2. Из данного рисунка видно, что графитные включения имеют преимущественно правильную шаровидную форму с диаметром, не более 60 мкм. Матрица чугуна представлена перлитно-ферритной составляющей, причем доля феррита не превышает 30%. Феррит присутствует в микроструктуре чугуна преимущественно в виде оболочек, опоясывающих графитные включения (рис. 2а, б и в), а для перлита характерно пластинчатое строение (рис. 2б и в).
Шаровидный графит имеет поликристаллическое строение (рис. 2в), и по границам его кристаллов пирамидальной формы в радиальном направлении на непротравленном образце наблюдаются тонкие, удлиненные выделения белой фазы (рис. 2г). Согласно данным микрорентгено-спектрального анализа, отражающим качественное распределение элементов по хорде в сечении графитного включения шаровидной формы (рис. 3а)
и представленным на концентрационных профилях отдельных элементов на рис. 3б, можно предположить, что белой фазой является кремнистый феррит. В пользу такого предположения говорит тот факт, что в белой фазе находится преимущественно железо, кремний и марганец, а углерода там существенно меньше, чем в чистом графите (см. рис. 3б). Подтверждают это предположение и результаты локального микрозондового точечного анализа химического состава данной фазы (см. рис. 3а), приведенные в табл. 2. Более подробно особенности внутреннего строения шаровидного графита в высокопрочном чугуне в литом исходном состоянии изучены и описаны в нашей другой работе, специально посвященной этому вопросу [21].
При сравнении микроструктуры чугуна в поперечном (рис. 4) и продольном (рис. 5) сечениях деформированных образцов (по отношению к направлению действия деформирующей силы) четко видно, что после горячей пластической деформации наибольшие изменения во форме графитных включений происходят в продольном направле-
2
1
0
(а)
+4
40 мкм | 1
Рис. 3. РЭМ изображение микроструктуры высокопрочного чугуна в литом состоянии без травления (а) и концентрационные профили распределения элементов в ней (б):
а — нанесены линия перемещения микрозонда, концентрационные профили элементов, крестики и цифры, обозначающие места точечного микрозондо-вого анализа (данные представлены в табл. 2).
нии. В результате горячей пластической деформации графитные включения вытягиваются вдоль направления течения чугуна, приобретая своеобразную морфологию, которая изменяется по мере увеличения степени деформации от овальной (линзовидной) до веретенообразной и, наконец, нитевидной (см. рис. 5).
После деформации со степенью е = 20% шаровидная форма графита в продольном направлении изменяется на овальную (рис. 5а),
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.