МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Акімов Іван Васильович

УДК: 669.14.017: 539.43

ПІДВИЩЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ГРАФІТИЗОВАНИХ СТАЛЕЙ

05.02.01 – Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті.

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Волчок Іван Петрович

Запорізький національний технічний університет,

завідувач кафедри “Технологія металів”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бриков Микола Миколайович

Запорізький національний технічний університет,

професор кафедри “Обладнання і технологія

зварювального виробництва”

м. Запоріжжя

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Малишев Георгій Петрович

Запорізька державна інженерна академія,

доцент кафедри “Металургійне обладнання”

м. Запоріжжя

Провідна установа: Хмельницький державний університет, м. Хмельницький

Захист відбудеться “8” червня 2004 року о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розіслано “6” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Внуков Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основна тенденція розвитку машинобудування – зниження матеріалоємності машин і механізмів при одночасному підвищенні їх надійності та довговічності досягається, головним чином, в результаті вибору конструкційного матеріалу, що найповніше відповідає умовам експлуатації виробів.

Графітизовані чавуни (сірі, ковкі та високоміцні) знаходять широке застосування для деталей, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень, в умовах зносу при сухому терті й в умовах агресивних середовищ при підвищених температурах (станини верстатів, корпуси редукторів, колінчасті вали двигунів внутрішнього згоряння, валки прокатних станів, виливниці для розливання чорних і кольорових металів, кокілі, деталі пічної арматури та ін.). Переваги чавунів полягають у наявності багатьох цінних властивостей: низької собівартості, високої технологічності та здатності до демпфування, теплопровідність, рідкотекучість та ін. Це пояснюється значним вмістом вуглецю і кремнію в їхньому складі, а також значної кількості (7...12% об’ємн.) графітної фази у структурі. У порівнянні з металевою матрицею графіт має вищу теплопровідність і меншу змочуваність рідкими розплавами, що сприяє підвищенню теплопровідності чавунів, зменшенню термічних напружень і зниженню швидкості хімічної взаємодії на поверхні поділу чавун - розплав.

У той же час, унаслідок значного вмісту графітної фази в структурі, чавуни, у першу чергу сірі, мають порівняно низькі механічні властивості. В умовах зростання параметрів робочих процесів машин і механізмів потрібні матеріали, які сполучали б цінні властивості чавуну з більш високими показниками міцності, пластичності й тріщиностійкості. До таких матеріалів відносяться графітизовані сталі, які становлять за хімічним складом залізовуглецеві сплави з підвищеним вмістом кремнію. Особливість графітизованих сталей полягає у наявності графітових включень в структурі, які надають цим матеріалам специфічні властивості чавунів. Але на відміну від чавунів вміст графіту в цих матеріалах у 2...3 рази менший, що обумовлює вищі показники механічних і службових властивостей. Аналіз літературних даних дозволяє зробити висновок про те, що заміна графітизованими сталями чавунів, вуглецевих та легованих сталей дасть можливість підвищити надійність і довговічність деталей, які працюють в умовах статичних, динамічних і циклічних навантажень, високих температур і агресивних середовищ, а також в умовах зношування. У той же час механічні й службові властивості цього матеріалу, насамперед такі, що визначають надійність і довговічність деталей (в'язкість руйнування, циклічна тріщиностійкість, втомна міцність, термостійкість), вивчені недостатньо, що обмежує його застосування у машинобудуванні. В Україні виробництво графітизованих сталей фактично не налагоджено, немає технічних вимог і державних стандартів, що регламентували б їхні склади і вимоги до якості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі результати дисертації виконувалися згідно з планами науково-дослідної роботи ЗНТУ за темою “Вдосконалення технології виробництва сплавів на основі алюмінію та міді”, держаний реєстраційний № 0104U004068, обліковий державний № 0204U005097. Отримані результати дали підставу для проведення подальших досліджень у 2004-2006 роках у рамках ДНТП України №6 "Нові речовини і матеріали", підрозділ 6.1 "Нові конструкційні матеріали", по темі "Розробка та впровадження низьколегованих графітизованих сталей з підвищеними міцністю, тріщиностійкістю і термотривкістю".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у розробленні складів низьколегованих графітизованих сталей з високими показниками фізико-механічних та службових властивостей: тимчасового опору при розтязі, пластичності, статичній в'язкості руйнування, критеріїв циклічної в'язкості руйнування, довговічності при малоцикловій втомі, теплопровідності і термостійкості.

Для досягнення поставленої мети в роботі було поставлено та вирішено наступні задачі:

1. Отримано регресійні залежності, що описують вплив кремнію, міді й алюмінію на структуру і властивості графітизованих сталей.

2. На основі отриманих регресійних залежностей проведена графічна оптимізація хімічного складу графітизованих сталей за вказаними елементами; визначено склад, який забезпечує одержання оптимального сполучення показників механічних властивостей.

3. Досліджено механізми тріщиноутворення й руйнування при статичному та циклічному навантаженнях; отримані кількісні оцінки ролі графітових включень різної форми у процесах руйнування графітизованих сталей.

4. Досліджено вплив міді та комплексного легування марганцем, хромом, нікелем й молібденом на властивості сталей; розроблені склади легованих графітизованих сталей з високим рівнем фізико-механічних та службових властивостей.

5. Проведено випробування в промислових умовах одного з розроблених складів сталей.

Об'єктом дослідження були графітизовані залізовуглецеві сплави заевтектоїдного класу.

Предметом дослідження були процеси структуроутворення і механізми руйнування графітизованих сталей під дією статичних, циклічних й термоциклічних навантажень.

Методи дослідження. З метою дослідження впливу складу на структуру і властивості сплавів проводили структурно-фазовий аналіз за допомогою металографічного й енергодисперсійного методів. Із застосуванням як стандартних, так і спеціальних методів досліджували механічні, теплофізичні й службові властивості сплавів. З метою математичного моделювання впливу складу сплавів на показники їхніх механічних властивостей використовували метод регресійного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів:

Встановлено, що в залежності від вмісту кремнію кристалізація графітизованих сталей може відбуватися за метастабільною і стабільною схемами, що призводить до одержання компактного (після відпалювання) або пластинчастого графіту, а також його проміжних форм, і відповідно до зміни показників міцності, відносного видовження, опору втомному руйнуванню, коефіцієнта інтенсивності напружень і теплопровідності у широких межах.

Із застосуванням методів математичного планування експерименту отримано залежності, що описують вплив кремнію, міді й алюмінію на показники міцності, пластичності, статичної й циклічної в'язкості руйнування, які дозволяють оптимізувати склади графітизованих сталей.

Вперше отримано кінетичні діаграми втомного руйнування графітизованих сталей, які показали, що за опором руйнуванню при циклічному навантаженні вони у середньому у 1,5 рази перевищують високоміцні чавуни феррито-перлитного й перлітного класів.

Вперше отримано дані про вплив хімічного складу (Sі, Mn, Cr, Nі, Mo, Cu, Al) і термічного оброблення (графітизуюче і сфероідизуюче відпалювання, нормалізування з відпусканням) на коефіцієнт інтенсивності напружень К1С графітизованих сталей, які показали, що за цим показником графітизовані сталі перевершують високоміцні чавуни феррито-перлитного і перлітного класів у 1,3...1,6 рази.

Практична цінність отриманих результатів. На підставі отриманих експериментальних даних для промислового впровадження рекомендовані три марки сталей: 150СДЛ – для деталей загального призначення; 150СД2Л – для деталей, що працюють в умовах термоциклічного навантаження; 150ХГСНЛ – для відповідальних деталей, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень.

Результати промислових випробувань сталі 150СД2Л показали, що виготовлені з неї виливниці, завдяки вищим показникам механічних властивостей, мали стійкість у 1,2 рази більше стійкості виливниць з високоміцного чавуну марок ВЧ35, ВЧ45, що дозволило рекомендувати її як конструкційний матеріал виливниць для розливу мідних та алюмінієвих сплавів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, що визначають сутність дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, що написані у співавторстві, здобувач:

1. із застосуванням сучасних засобів досліджень проаналізував вплив структурних факторів на механізми руйнування графітизованих сталей при статичному та циклічному навантаженнях, оцінив їхню роль у процесах тріщиноутворення й руйнування;

2. провів оброблення експериментальних даних, отримав регресійні і графічні залежності, які описують вплив хімічного складу на показники конструктивної міцності графітизованих сталей;

3. одержав залежності, які описують вплив комплексного легування кремнієм, міддю, алюмінієм, хромом, марганцем, нікелем та молібденом на структуроутворення й механічні властивості графітизованих сталей після різних видів термічного оброблення;

4. одержав залежності, які описують вплив збільшуваного вмісту міді на структуроутворення, механічні властивості, теплопровідність та термостійкість графітизованих сталей після різних видів термічного оброблення;

5. провів промислові випробування однієї з розроблених сталей, показав технічну й економічну доцільність її застосування як конструкційного матеріалу виливниць для розливання алюмінієвих і мідних сплавів замість високоміцних чавунів марок ВЧ35, ВЧ45.

У співпраці із співробітниками Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України д.т.н. О.П. Осташем, к.т.н. І.М. Андрейком та Ю.В. Головатюком були проведені випробування на циклічну тріщиностійкість графітизованих сталей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на ІІ, ІІІ й ІV міжнародних конференціях "Перспективні задачі інженерної науки" /Алушта, 2001 і 2002 рр; Ігало, Республіка Чорногорія, 2003р./; на міжнародних конференціях "Стародубовские чтения" /Дніпропетровськ, 2002 і 2003 р./; на Х міжнародній конференції "Неметалеві вкраплення і гази в ливарних сплавах" /Запоріжжя, 2003 р./; на ІX міжнародної науково-технічний конференції "Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів" /Запоріжжя, 2003 р./.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи висвітлено у 12 друкованих працях, серед них 9 у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та одного додатку. Обсяг основного тексту дисертації становить 141 стор. Вона містить 56 рисунків (серед них 22, що займають 25 повних стор. та 34, що займають частково 28 стор.) та 27 таблиць (серед них 4, що займають 4 повні стор. та 23, що займають частково 22 стор.), список використаних джерел із 110 найменувань на 10 стор., а також додаток на 2 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі розглянута актуальність теми дисертації, мета і задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі на підставі літературного аналізу показано, що графітизовані сталі за складом, структурою та властивостями займають проміжне положення між графітизованими чавунами та вуглецевими і низьколегованими сталями, унаслідок чого мають переваги сталей (міцність, пластичність, в'язкість руйнування та ін.) і чавунів (підвищені ливарні і теплофізичні властивості, високі теплопровідність і здатність до демпфування, задовільна зносостійкість в умовах сухого тертя та ін.). У зв'язку з цим графітизовані сталі можуть бути перспективним матеріалом, який дозволяє замінювати чавун, вуглецеві та леговані сталі та який дає можливість підвищити ресурс роботи деталей, що працюють в умовах статичних, динамічних та циклічних навантажень. З урахуванням того, що графітизовані сталі мають низьку собівартість, високі технологічні властивості, а також здатність до широкої зміни властивостей унаслідок легування та термічного оброблення, ця заміна буде технічно й економічно виправданою.

Розглянуто методи підвищення конструктивної міцності графітизованих залізовуглецевих сплавів. Відзначається, що конструктивна міцність є характеристикою матеріалу, що інтегрує в собі критерії матеріалоємності (в, 0,2), надійності (, К1С, КС) і довговічності (витривалість при циклічних знакозмінних навантаженнях, зносостійкість, термостійкість і т.д.). Показано, що основними факторами, які впливають на конструктивну міцність графітизованих сплавів є кількість, розподіл і форма графітових включень, а також стан металевої матриці. Таким чином, найперспективнішими шляхами підвищення конструктивної міцності графітизованих сталей є зменшення розмірів і глобуляризація графітових включень, а також зміцнення металевої матриці шляхом легування та термічного оброблення.

В другому розділі обґрунтований вибір напрямку дослідження і викладені основні методи лабораторних і промислових випробувань.

Дослідні плавлення проводили у лабораторних умовах в індукційних печах ИСТ-60 та ИСТ-120 з основною футерівкою тигля. Як шихтові матеріали використовували чушкові ливарні чавуни (ГОСТ 4832-80), сталевий брухт (ГОСТ 2787-86), кремній КР-1 (ГОСТ 19658-81), алюміній АД1 (ГОСТ 4784-97), електротехнічну мідь, електролітичний нікель, молібден ММ-2 (ТУ 48-19-73-78), хром металевий Х97 (ГОСТ 5905-79), феромарганець ФМн75 (ГОСТ 4756-70). Застосування методу фракційного розливання дозволило виключити дію сторонніх факторів, пов'язаних зі зміною хімічного складу, температури розливання, умов кристалізації і т.п., та одержати достовірніші результати.

Контроль вмісту вуглецю здійснювався хімічним методом згідно з ГОСТ 2604.1-77 із застосуванням автоматичного аналізатора типу АН-7529. Контроль вмісту інших елементів виконувався на іскровому спектрометрі "SPECTROLAB" виробництва Німеччини, що дозволяв визначати хімічний склад сплаву по основних елементах з точністю ±0,0001 мас. %.

Термічне оброблення зразків здійснювали в електричних печах опору з автоматичним регулюванням температури.

Металографічний аналіз робили на мікроскопах МИМ-7, МИМ-8 та EPYTІ 2 (Карл Цейс, Йена, ФРН) при збільшеннях 100...500. Форму і розміри включень графіту визначали на нетравлених шліфах. При цьому для характеристики форми включень графіту застосовували параметр форми г, який визначали за результатами металографічних досліджень як середнє відношення максимальних розмірів включень графіту до мінімальних.

Розподіл надлишкової мідної фази в сталях, що містили мідь, досліджували на багатоцільовому растровому електронному мікроскопі дослідницького класу фірми JEOL (Японія) JSM-6360LA у режимі кольорового мапування при прискорювальному потенціалі 25 кВ.

Мікрорельєфи зламів зразків досліджувалися на растровому електронному мікроскопі "JSMT 300" фірми JEOL (Японія) при прискорювальному потенціалі 20...25 кВ і діаметрі електронного зонду 100 нм.

Механічні випробування проводили відповідно до ГОСТ 1497-84 на розривній машині УРМ-5 з максимальним зусиллям 50 кН на зразках з робочим діаметром 5 мм і довжиною 25 мм.

Вимірювання твердості проводили за методом Брінелля (ГОСТ 9012-59).

Критичні коефіцієнти інтенсивності напружень К1С визначали відповідно до ГОСТ 25.506-85 на плоских прямокутних зразках з крайовою тріщиною за схемою триточкового згину на машині для статичних випробувань РМТ-10 з максимальним зусиллям 100 кН при швидкості переміщення елемента, що навантажував (ножа), 810-5 м/с.

Визначення малоциклової втоми проводили відповідно до ГОСТ 2860-65 на установці ИП-2М конструкції ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України повторно-змінним чистим згином плоских зразків товщиною 2 мм жорстким навантаженням з частотою 50 циклів/хв, по симетричному циклу.

Критерії циклічної тріщиностійкості визначали на дискових зразках з крайовою тріщиною (базовий розмір W = 64 мм, товщина t = 6...8 мм) при частоті циклічного навантаження 10...15 Гц і коефіцієнті асиметрії R = 0,05 у середовищі лабораторного повітря. Довжину втомної тріщини вимірювали катетометром КМ-6 з 25-кратним збільшенням.

Будували залежності швидкості росту втомної тріщини = da/dN від розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень К. Характеристиками циклічної тріщиностійкості сплавів було обрано величини: у низько-, у високо- і у середньоамплітудній ділянках кінетичної діаграми втомного руйнування, а також величину n показник у рівнянні Періса.

Теплопровідність експериментальних сплавів вимірювали на приладі ИТЭМ-1М.

Експериментальні дані, отримані з використанням плану-матриці для повного факторного експерименту 23, оброблялися за допомогою методів регресійного аналізу. Результати оброблення представлялися у вигляді рівнянь регресій та графіків.

Третій розділ присвячений оптимізації складу графітизованої сталі. Згідно з літературними даними, основними елементами, що входять до складу графітизованих сталей, є вуглець (0,14...1,65%), кремній (0,75...2,50%), марганець (0,2...0,5%) і, в окремих випадках, мідь та титан. Згідно з літературним аналізом вплив легування на властивості графітизованих сталей вивчено недостатньо. У зв'язку з цим аналізували вплив кремнію, алюмінію і міді на структуру, механічні й службові властивості та теплопровідність графітизованих сталей складу: 1,55...1,65%С; 0,18...0,22%Mn; 0,03...0,07%Cr; 0,025...0,030%S та 0,032...0,04%P. З цією метою в роботі був реалізований повний факторний експеримент 23, що містив у собі вісім основних дослідів й дослід на нульовому рівні (табл.1).

Як незалежні змінні було обрано вміст кремнію, міді й алюмінію, при цьому локальна область визначення факторів була прийнята з апріорних розумінь на підставі проведеного літературного аналізу. Як залежні змінні були прийняті: параметр форми графіту г; границя міцності в; відносне видовження ; статична тріщиностійкість К1С й коефіцієнти циклічної в'язкості руйнування Kth та Kfc.

Металографічний аналіз отриманих сплавів у литому стані показав різнорідність мікроструктур у залежності від хімічного складу і, головним чином, від вмісту кремнію. Так, у сталях з низьким вмістом кремнію у литому стані спостерігалася структура, типова для заевтектоїдних сталей, яка представлена фазами перліту і вторинного цементиту. У сталях з підвищеним рівнем кремнію (2,49...2,57%) структура була представлена перлітом із пластинчастим графітом у феритній облямівці.

Таблиця 1.

Кодування факторів при дослідженні області оптимуму за допомогою центрального композиційного ортогонального плану 23

Інтервали варіювання та рівні факторів | Досліджувані фактори

Х1 (Si) | Х2 (Cu) | Х3 (Al)

Нульовий рівень: Х=0 | 1,75 | 1,0 | 0,15

Інтервали варіювання | 0,75 | 0,5 | 0,1

Верхній рівень: Х=+1 | 2,5 | 1,5 | 0,25

Нижній рівень: Х=-1 | 1,0 | 0,5 | 0,05

Після графітизуючого відпалювання сталі мали перліто-феритну структуру металевої основи і, у залежності від хімічного складу, компактну, пластівчасту й пластинчасту форму графіту.

При вмісті кремнію 0,96...1,11% сталь мала перліто-феритну структуру металевої основи і пластівчастий графіт відпалу, на відміну від феритної структури і пластинчастого графіту при 2,49...2,57% кремнію. Тут кремній як сильний графитизатор сприяв виділенню вуглецю у вигляді включень графіту пластинчастої форми в процесі кристалізації.

Результати експериментів показали, що оптимізувати форму і розташування графітної фази можна легуванням міддю й алюмінієм. Так, збільшення присадки міді до 1,5% привело до утворення компактних включень графіту, при цьому їхня кількість на одиницю площі знижувалася. Більш ефективно діяв алюміній: при збільшенні його присадки до 0,25% відбулося зниження параметра форми графітових включень г з 2,2 до 1,4. При цьому в структурі утворювалися практично глобулярні графітові включення, достатньо однорідні за розмірами. Графітові включення, при вмісті варійованих елементів на нульовому рівні матриці планування експерименту (1,74%Sі, 0,97%Cu і 0,153%Al), мали переважно компактну форму, при цьому дрібні глобулі групувалися окремими, досить великими групами та розташовувалися у вигляді ланцюжків.

У результаті аналізу механізму руйнування було встановлено, що зародження і розвиток мікротріщин у сталі з пластинчастим графітом відбувалося цілком по включеннях графіту. Для сталі з пластівчастим графітом у початковий момент навантаження характерна незначна пластична деформація металевої матриці. Локальне відносне видовження між реперними точками, що розташовані через 0,5 мм одна від одної, до моменту розриву досягло 8,5%, у той час загальне видовження зразка склало близько 4%. Значна локальна деформація характерна для низькокремністої сталі з глобулярним графітом: у момент руйнування вона перевищувала 16%, при загальній деформації 8%.

Про роль графіту в зародженні і поширенні мікротріщин судили за величиною коефіцієнтів зв'язку мікротріщин із включеннями КN , КL (відповідно відносна кількість та відносна сумарна довжина мікротріщин, що проходили через графітові включення), і коефіцієнта участі включень у процесах тріщиноутворення КГ (відносна кількість графітових включень, що спричинили утворення мікротріщин). Отримані результати (рис.1) показали, що участь графітної фази в процесах тріщиноутворення й руйнування сталей знижується зі зміною форми графітових включень у напрямку від пластинчастої до пластівчастої і глобулярної, що погоджується з відомими даними для графітизованих чавунів, але, внаслідок меншої кількості графітної фази в структурі, графітизовані сталі перевищують чавуни за пластичністю в середньому у два рази.

В результаті аналізу мікромеханізму руйнування сталей при випробуваннях на малоциклову витривалість встановлено, що при циклічному навантаженні мають місце аналогічні закономірності, що й при статичному: найбільшою мірою процесам тріщиноутворення сприяли включення графіту пластинчастої і некомпактної пластівчастої форми, які були ініціаторами зародження мікротріщин. Швидкість зародження і росту мікротріщин в області глобулярних включень значно відставала від швидкості зародження і росту мікротріщин в області включень пластівчастої і пластинчастої форми, що обумовило вищу довговічність сталей із глобулярним графітом (рис.2).

Різноманітність мікроструктури металевої основи і графітової фази зумовили широкий діапазон міцності (43...570 МПа) і статичної тріщиностійкості (9,6...62,1) досліджених сталей. При цьому помітно змінювалось їх відносне видовження (1...9%) і в меншому ступені – твердість (170...200 НВ). Найкращі властивості мали сталі складу, близького до наступного: 1,6%С; 1,0%Sі; 0,25%Al; 0,5 і 1,5%Cu. За міцністю вони відповідали перліто-феритним чавунам марок ВЧ50 і ВЧ60, перевершуючи їх за пластичністю у 1,2...2,5 рази, та за статичною тріщиностійкостю К1С у 1,2...1,3 рази.

Рис.1. Залежність коефіцієнтів KN, KL та KГ від локальної деформації сталей з пластівчастим й глобулярним графітом. | Рис.2. Криві малоциклової втоми.

Графітизовані сталі з 2,5%Sі мали переважно пластинчастий графіт, внаслідок чого за рівнем механічних властивостей відповідали сірим чавунам марок СЧ15 і СЧ20; легування міддю й алюмінієм не суттєво поліпшувало їхні механічні властивості. Таким чином вміст кремнію має бути не більше 1,0%.

Значну структурну чутливість виявили характеристики циклічної тріщиностійкості, особливо у середньо- і високоамплітудних ділянках діаграми швидкостей росту втомної макротріщини. Зниження параметра форми графітових включень у низькокремністих сталях за рахунок легування алюмінієм до 0,25% призвело до підвищення критичної тріщиностійкості Kfc з 51 до 83 , що в 1,5...1,6 рази перевищує аналогічну характеристику кращих високоміцних чавунів перліто-феритного та перлітного класів. При цьому на фрактограмах спостерігався мікрорельєф зламу з інтенсивними деформаційними гребенями та наявністю ділянок з борозчастим мікрорельєфом, що є характерним для втомного руйнування пластичних сталей ферито-перлітного класу.

При підвищенні вмісту кремнію до 2,5% критична тріщиностійкість Kfc істотно знижувалася, особливо при легуванні 1,5%Cu і 0,25%Al. По показниках Kfc=30...40 висококремністі сталі знаходилися на рівні звичайних високоміцних чавунів і наближалися до сірих чавунів високих марок. Мікрофрактографічний аналіз показав, що такі сталі руйнувалися значною мірою за механізмом транс- і міжкристалітного відколу.

При обробленні експериментальних даних за допомогою регресійного аналізу було отримано рівняння, які відображають залежність параметра форми графіту г та механічних властивостей графітизованих сталей від вмісту кремнію, міді та алюмінію:

Аналіз отриманих рівнянь показав, що найвищими показниками конструктивної міцності володіли сталі з низьким вмістом кремнію. У зв'язку з цим проводили графічну оптимізацію по вмісту міді й алюмінію при вихідному вмісті кремнію на нижньому рівні поля варіювання (1,0%). Для цього будували графік двомірних перетинів поверхонь відгуку по двуфакторному поліному, в який попередньо було введено найбільш бажане числове значення досліджуваних параметрів: в, К1С, Кfc (рис. 3). Побудовані криві в координатах Al - Cu утворюють область, яка відповідає діапазонам оптимального вмісту міді (0,9...1,4%) та алюмінію (0,20...0,25%).

Таким чином, відповідно до результатів проведеної оптимізації, графітизована сталь складу: 1,55...1,65%С; 0,20...0,25%Mn; 0,95...1,10%Sі; 0,9...1,4%Cu; 0,20...0,25%Al, що відлита у піщано-глинясті форми, у відпаленому стані буде мати границю міцності в=500...550 МПа, коефіцієнт інтенсивності напружень К1С=55...60 та критичний коефіцієнт циклічної в'язкості руйнування Кfc=70...80.

Рис.3. Графічна оптимізація хімічного складу графітизованої сталі.

Відомо, що для деталей, які працюють в умовах теплового впливу (кокілі, виливниці, прокатні валки, гільзи циліндрів двигунів внутрішнього згоряння і т.п.) важливою характеристикою є теплопровідність. Її підвищення забезпечує збільшення швидкості відводу тепла із зони контакту матеріалу з високотемпературним середовищем, що, у свою чергу, призводить до зниження термічних напружень і інтенсивності термоерозійних процесів. Аналіз теплопровідності дослідних сталей показав наявність практично лінійної залежності між цим показником і параметром форми графітових включень (рис. 4).

Четвертий розділ присвячений вивченню можливості підвищення якості графітизованих сталей внаслідок легування та термічного оброблення. Як легуючі елементи були обрані марганець та хром як найдешевші й доступніші елементи, що впливають на процеси графітизації і підвищують показники міцності; нікель та молібден – як елементи, що впливають на будову перлітної фази й забезпечують підвищення міцності, пластичності та в'язкості руйнування сталей; а також мідь, яка може впливати на форму та розміри графітових включень, забезпечувати твердорозчинне й дисперсійне зміцнення металевої основи та підвищувати теплопровідність й термостійкість чавунів.

Рис.4. Залежність теплопровідності від параметра форми графіту.

У 120-кілограмовій індукційній печі були виплавлені сплави з базовим хімічним складом: 1,38…1,42% С; 0,9…1,1% Si; 0,20…0,25% Al; 0,2…0,3% Mn; 0,029…0,031% P; 0,032…0,037% S (варіант 1 – вихідний), додатково леговані 0,3%Cr (варіант 2); 0,3%Cr та 1,2%Nі (варіант 3); 0,3%Cr, 1,8%Mn, 1,2%Nі (варіант 4); 0,3%Cr, 1,8%Mn, 1,2%Nі та 0,3%Mo (варіант 5); 0,6%Cr, 1,8%Mn, 1,2%Nі та 0,3%Mo (варіант 6).

Після графітизуючого відпалювання, одну партію експериментальних зливків піддавали нормалізуванню від 850°С з наступним відпусканням (500°С, 1 год), а іншу – трисхідчастому сфероідизуючому відпалюванню за режимом: нагрівання 850°С, витримка 30 хв, охолодження з піччю 600°С, нагрівання 720°С, витримка 1 год, охолодження з піччю 600°С, нагрівання 720°С, витримка 1 год, охолодження з піччю.

Нормалізування сталей призвело до усунення крупнозернистої структури, отриманої при литті, і підвищенню дисперсності перліту. При цьому зі збільшенням вмісту легуючих елементів твердість монотонно зростала від НВ250 до НВ380, границя міцності в від 556 до 1122 МПа і границя плинності 0,2 від 505 до 808 МПа, а відносне видовження знижувалося від 4 до 1,6%. Отримані результати можна пояснити твердорозчинним зміцненням металевої матриці легуючими елементами. Статична тріщиностійкість К1С змінювалася в діапазоні 19,3...31,1 та мала максимальне значення при легуванні 0,3%Cr і 1,2%Nі. Отримані дані про вплив легування на К1С підтверджувалися і результатами фрактографічного аналізу, який показав, що в сталях варіантів 1 та 2 руйнування відбувалося по змішаному механізму транскристалітного відколу і ямкового відриву. В сталі 3-го варіанта переважав механізм ямкового відриву.

В сталях варіантів 5 та 6 підвищений вміст Mn та Cr призвів до значного окрихчення металевої матриці і зниженню рівня тріщиностійкості. Про це свідчила наявність на поверхні зламів мікрорельєфу межкристалітного відколу з низькою енергоємністю руйнування.

В результаті сфероідизуючого відпалювання металева матриця сталей практично повністю була представлена зернистим перлітом. Застосування даного термічного оброблення дозволило збільшити відносне видовження до 8,3% для сталі вихідного складу, та в'язкість руйнування К1С до 40,6 для сталі, легованої 0,3%Cr та 1,2%Nі. У той же час вони характеризувалися нижчими значеннями границі міцності (418...920 МПа), границі текучості (288...525МПа) та твердості (НВ195...НВ255) у порівнянні з нормалізованими сталями.

Фрактографічний аналіз зламів зразків після визначення К1С показав, що руйнування відбувалося переважно за механізмом внутризеренного відриву зі значною пластичною деформацією перед фронтом росту тріщини. Для сталі 3-го варіанта характерна наявність зони витягування.

Аналіз циклічної тріщиностійкості показав, що Кfc значною мірою залежав від хімічного складу сталей. Легування 0,3%Cr привело до підвищення зазначеного параметра з 38 до 50 . При комплексному легуванні 0,3% хрому та 1,2% нікелю Кfc підвищився до 58 . Переважним механізмом руйнування цих сталей був мікрозкол. У сталях 1-го...3-го варіантів на фоні ділянок відколу були виявлені інтенсивні деформаційні гребені.

Для вивчення впливу міді на властивості сталей, в індукційній печі ИСТ-120 виплавили сталь (1,30…1,39%С; 0,8…0,9%Si; 0,20…0,25%Mn; 0,22…0,26%Al; 0,024…0,031%P; 0,022…0,027%S), в якій вміст міді змінювали від 0% до 3,75% з розрахунковим кроком 0,75%.

Після графітизуючого відпалювання включення графіту, в сталях з вмістом 0,05...2,27%Cu мали кулясту і вермікулярну форму й були рівномірно розподілені в металевій матриці. При підвищенні вмісту міді до 0,81% спостерігалося здрібнювання графіту з 10...35 мкм до 10...15 мкм. При подальшому підвищенні вмісту міді розміри графіту знову збільшувалися до 30...40 мкм. При вмісті міді 3,73% виділення графітної фази відбувався переважно по границях зерен.

З метою поліпшення показників міцності, пластичності та статичної в'язкості руйнування, одну партію експериментальних сталей піддавали нормалізуванню від 850°С з наступним відпусканням (500°С, 2 год), а іншу трисхідчастому сфероідизуючому відпалюванню по такому ж режиму, як і для комплексно легованих сталей.

Металева матриця усіх варіантів нормалізованих сталей була представлена переважно перлітною фазою. При цьому зі збільшенням вмісту міді відбувалося часткова глобулізація й укрупнення пластин перліту.

Аналіз результатів механічних випробувань показав, що підвищення границі міцності в до 820МПа, границі плинності 0,2 до 600МПа та коефіцієнта інтенсивності напружень K1C до 37 зі збільшенням вмісту міді проходило через максимум у діапазоні 1,57...2,27%Cu, що, можливо, пояснюється твердорозчинним та дисперсійним зміцненням металевої основи.

Проведений фрактографічний аналіз зламів після визначення К1С показав, що у всьому досліджуваному діапазоні вмісту міді руйнування відбувалося переважно за механізмом транскристалітного відколу.

Застосування сфероідизуючого відпалювання, призвело до коагуляції цементитной складової перлітної фази і дозволило підвищити значення відносного видовження яке зі збільшенням вмісту міді змінювалося від 3,7 до 7,4% і в'язкості руйнування К1С – з 31,0 до 50,6 , при чому максимальне значення К1С відповідало сталі з 0,81%Cu, при цьому значення границі міцності в, границі плинності 0,2 і твердості були на 15...20% нижче значень аналогічних показників нормалізованих сталей.

У всьому діапазоні дослідження вмісту міді переважним механізмом руйнування при визначенні К1С був в’язкий транскристалітний злам, причому сталь з 0,81%Cu, характеризувалася зоною витягування, наявність якої свідчить про високу енергоємність руйнування.

Підвищення вмісту міді до 2,27...2,90% призвело до істотного збільшення Кfc, який досягав максимального значення – 55, що можна пояснити виділенням високодисперсної надлишкової мідистої фази, яка перешкоджала руху дислокацій і сповільнювала процес утворення мікротріщин.

На зламах сталей переважали області квазизкольного характеру. В області швидкостей росту втомної тріщини м/цикл, були виявлені ділянки з в’язким борознистим мікрорельєфом.

З метою визначення оптимального вмісту міді для деталей, що працюють при термоциклічних навантаженнях, вивчали вплив збільшуваного вмісту міді на теплопровідність та термостійкість (випробування за режимом 80020°С).

Було встановлено, що мідь підвищує теплопровідність у всьому досліджуваному інтервалі її вмісту, а залежність термостійкості від вмісту міді характеризувалася максимумом при 2,0...2,5%Cu (рис.5). Зниження термостійкості при вмісті міді понад 2,5% можна пояснити збільшенням параметра форми графіту.

Аналіз отриманих результатів показав доцільність застосування трьох марок сталей (табл. 2).

З метою промислового випробування сталі 150СД2Л, виплавляли сплав складу (мас. %): 1,58...1,63%C; 0,18...0,22%Mn; 0,9...1,1%Sі; 0,03...0,05%Cr; 2,2...2,3%Cu; 0,22...0,26%Al здійснювали у 4-х тонній індукційній печі з основною футерівкою.

Рис.5. Вплив вмісту міді на термостійкість та теплопровідність графітизованих сталей.

З отриманої дослідної сталі відливали виливниці для розливання алюмінієвих та мідних сплавів. Результати промислових випробувань показали, що виготовлені із графітизованої сталі виливниці завдяки вищим механічним властивостям та термостійкості, мали довговічність у 1,2 рази вище стійкості виливниць, виготовлених з нелегованого високоміцного чавуна. Очікуваний річний економічний ефект, за рахунок економії металу, склав 58110 грн.

Таблиця 2.

Запропоновані склади графітизованих сталей

Базовий склад: 1,35%…1,65%С; 0,2…0,3%Mn; 0,8…1,1%Si; 0,20…0,25%Al; до 0,03%S; до 0,03%P

Марки сталей | Термічне оброблення | Властивості | Призначення

150СДЛ | графітизуюче відпалювання | В500Мпа

0,2400МПа К1С55

Кfc70 31 Вт/мК

термостійкість

N40 циклів | деталі загального призначення: вкладиші, гайки, втулки, литі деталі кріплення, корпусні деталі і таке ін.

150СД2Л | графітизуюче відпалювання | термостійкість

N48 циклів

37 Вт/мК | деталі, що працюють в умовах термоциклічних навантажень: кокілі, прес-форми машин лиття під тиском, виливниці, деталі пічної арматури й ін.

150ХСНЛ | графітизуюче відпалювання + сфероідизуюче відпалювання | В690МПа

0,2340МПа К1С40

Кfc55 | відповідальні деталі машинобудування, що працюють в умовах значних статичних та циклічних навантажень: колінчасті вали двигунів внутрішнього згоряння, деталі зубчастих передач, деталі підземно-транспортного устаткування, станини, корпуса редукторів та коробок передач і таке ін.

графітизуюче відпалювання + нормалізування + відпускання | В880МПа

0,2600МПа К1С31

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Механічні та службові властивості графітизованих сталей, що становлять залізовуглецеві сплави з наявністю у структурі включень графіту, вивчені недостатньо, відсутні державні стандарти та технічні умови на їх виробництво, що обмежує застосування цього матеріалу в машинобудуванні.

2. Результати дослідження показали, що в залежності від вмісту кремнію кристалізація заевтектоїдних графітизованих сталей може відбуватися за метастабільною або стабільною схемами, що призводить до одержання компактного (після відпалювання) або пластинчастого графіту, а також його проміжних форм і відповідно до зміни показників міцності, відносного видовження, опору втомному руйнуванню, коефіцієнта інтенсивності напружень і теплопровідності у широких межах. Аналіз мікромеханізму тріщиноутворення показав, що головним фактором, що визначає опір графітизованої сталі руйнуванню при статичному та циклічному навантаженні є форма графітових включень і що по показниках, які визначають інтенсивність тріщиноутворення, вони перевершують високоміцні чавуни.

3. Із застосуванням математичного планування експерименту отримані кореляційні залежності, що описують вплив кремнію, міді та алюмінію на параметр форми графіту , границю міцності, відносне видовження, статичну тріщиностійкість, критичний і пороговий коефіцієнти циклічної в'язкості руйнування, що дозволило запропонувати склад графітизованої сталі 150СДЛ: 1,4...1,6%С; 0,2...0,3%Mn; 0,9...1,1%Sі; 1,0...1,2 %Cu; 0,20...0,25%Al з показниками властивостей: В500МПа; 0,2420МПа 7%; К1С55; Кfc70; та теплопровідністю 31Вт/мК.

4. Встановлено, що збільшення вмісту міді до 1,57...2,27%, унаслідок твердорозчинного та дисперсійного зміцнення, призвело до підвищення границі міцності в на 55...80%, границі плинності 0,2 на 50...90%, коефіцієнта інтенсивності напруг К1С на 70% та критичного коефіцієнта циклічної тріщиностійкості Кfc на 30...50%, теплопровідності на 27% та термостійкості на 45%, а також до зниження відносного видовження на 30%. Отримані результати були підставою для запропонування складу термостійкої сталі 150СД2Л: 1,4...1,6%C; 0,2...0,3%Mn; 0,9...1,1%Sі; 1,75...2,25%Cu; 0,20...0,25%Al.

5. Вперше отримано дані про вплив хімічного складу (Sі, Mn, Cr, Nі, Mo, Cu, Al) і термічного оброблення (графітизуюче і сфероідизуюче відпалювання, нормалізування з відпусканням) на коефіцієнт інтенсивності напружень К1С, графітизованих сталей, які показали, що за цим показником графітизовані сталі перевершують високоміцні чавуни феррито-перлитного і перлітного класів у 1,3...1,6 рази. Встановлено можливість підвищення механічних властивостей графітизованих сталей (після графітизуючого відпалювання, нормалізування й високого відпускання) до в=1100...1120 МПа, 0,2=800...810 МПа, НВ360...380, =1,6% й в'язкості руйнування К1С=18...20 у результаті легування марганцем до 1,8%; хромом до 0,6%; нікелем до 1,2% і молібденом до 0,3%.

6. Вперше отримано кінетичні діаграми втомного руйнування графітизованих сталей, які показали, що за опором руйнуванню при циклічному навантаженні вони у середньому у 1,5 рази перевищують високоміцні чавуни феррито-перлитного й перлітного класів.

7. Оптимальним сполученням наведених характеристик, а також високою циклічною тріщиностійкістю характеризувалася сталь типу 150СХНЛ (1,4...1,6%С; 0,4...0,6%Mn; 0,9...1,1%Sі; 0,20...0,25%Al; 0,25...0,35%Cr; 1,0...1,2%Nі) після графітизуючого і сфероідизуючого відпалювань: В=690…697МПа, 0,2=340…350МПа, =7,5…8,0% и НВ200…220, К1С=39…41 и Кfc=55…58.

8. Результати досліджень дозволили рекомендувати для промислового впровадження сталі: 150СДЛ – для деталей загального призначення; 150СД2Л – для деталей, що працюють в умовах термоциклічного навантаження; 150ХГСНЛ – для відповідальних деталей, що працюють в умовах статичних та циклічних навантажень. Проведено дослідно-промислові випробування виливниць для розливання алюмінієвих та мідних сплавів, виготовлених зі сталі 150СД2Л. Отримане збільшення стійкості виливниць на 20% по відношенню до стійкості виливниць з високоміцного чавуну. Очікуваний економічний ефект за рахунок економії металу складає 58110 грн.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ

1. Осташ О.П., Волчок І.П., Андрейко І.М., Акімов І.В., Головатюк Ю.В. Міцність та циклічна тріщиностійкість графітизованих сталей // Фізико-хімічна механіка матеріалів, 2002.-№6. – С.7-12.

2. Акимов И.В., Андрейко И.М. Малоцикловая выносливость графитизированных сталей с различной формой графитовых включений // Нові матеріали в металургії та машинобудуванні, 2003. - №1. – С.38-40.

3. Акімов І.В., Савченко В.О. Вплив міді на термостійкість графітизованих сталей // Машинознавство, 2004.- №1. – С. 49-50.

4. Акимов И.В., Андрейко И.М. Влияние легирования на свойства графитизированных сталей // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць НТУ “ХПІ”. – Харків: Курсор, 2002. – Вип.1(5). – С.17-24.

5. Акимов И.В., Волчок И.П. Повышение качества графитизированных сталей // Перспективные задачи инженерной науки. Сб. научн. трудов. Вып. 2. –Днепропетровск: Gaudeamus, 2001. – С. 135-141.

6. Акимов И.В., Андрейко И.М. Сопротивление разрушению графитизированных сталей // Перспективні задачі інженерної науки. Зб. наук. праць. Вип. 3. –Дніпропетровськ.: Gaudeamus, 2002. – С. 124-131.

7. Осташ О.П., Акимов И.В., Андрейко И.М., Головатюк Ю.В. Прочность и циклическая трещиностойкость графитизированных сталей // Строительство, материаловедение, машиностроение. Сб. научн. трудов. Вып.15, ч.1 – Днепропетровск: ПГАСА, 2002. – С. 99.

8. Акимов И.В., Савченко В.О. Влияние легирования и термической обработки на свойства графитизированных сталей. // Перспективні задачі інженерної науки. Зб. наук. праць. Вип. 4. –Дніпропетровськ.: Gaudeamus, 2003. – С.184-188.

9. Андрейко И.М., Акимов И.В. Механизм разрушения графитизированных сталей с различной формой графитовых включений при статическом нагружении // Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. научн. трудов. Вып.22, ч.1, – Днепропетровск: ПГАСА, 2003. – С. 156-157.

10. Акимов И.В., Андрейко И.М. Малоцикловая выносливость графитизированных сталей с различной формой графитовых включений // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах. Зб. наук. праць. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 40-43.

11. Акімов І.В., Савченко В.О. Вплив міді на властивості графітизованих сталей // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. праць. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 123-125.

12. Акімов І.В., Савченко В.О. Вплив міді на термостійкість графітизованої сталі // Шостий міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей.